DE19617781C2 - Einrichtung zur Aufladung und Spülung von Zweitakt-Dieselmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Aufladung und Spülung von Zweitakt-Dieselmotoren gemäß den Merk­ malen des Patentanspruchs 1.

Der aktuelle Stand der Technik von kleineren Dieselhub­ kolbenmotoren wird momentan vom Direkteinspritzermotor beschrieben (der TDI von VW). Bald werden diese Motoren mit Vierventiltechnik und Hochdruckeinspritzung angebo­ ten und bisher ungekannte Abgaswerte und Wirkungsgrade erreichen, die dann nur noch vom Zweitakt-Dieselmotor mit Wassereinspritzung übertroffen werden können.

Hochleistungszweitaktdiesel können jedoch nicht im Kur­ belgehäuse vorverdichten, da sie eine zuverlässige Druckschmierung an der Kurbelwelle brauchen. Bisher wird bei diesen Motoren durch elektrische Gebläse (siehe Schiffsdiesel) oder mechanische Lader (z. B. Roots Kompressoren) "gespült" oder "geladen". Turbola­ der kommen nicht in Frage, weil sie erst ab einem ge­ wissen Abgasdruck zu arbeiten beginnen. Der Zweitakt­ diesel braucht aber von Anfang an, also auch für die erste Zündung einen "Startladedruck". Elektrische Ge­ bläse brauchen, setzt man einen vernünftigen Wirkungs­ grad und Haltbarkeit voraus, Drehstrom, der in Fahr­ zeugmotoren nur unter erheblichem Aufwand erzeugt wer­ den kann. Roots Kompressoren oder ähnliche mechanische Lader sind groß, schwer, teuer und zehren beträchtliche Mengen an Energie, so daß der Vorteil der Zweitaktmoto­ ren (klein, leicht, billig, drehmomentstark, leichtlau­ fend, vibrationsarm) mit Nachteilen aufgewogen wird.

Das Problem aller mechanischen Kompressoren für die Aufladung von Hubkolbenverbrennungsmotoren ist, daß große Mengen Luft vom atmosphärischen Druck auf ein nur unwesentlich höheres Druckniveau gebracht und transpor­ tiert werden müssen, und das mit einer Vorrichtung aus Metall. Das bedeutet, daß bei Hubkolbenkompressoren oder geometrischen Raumverdichtern (Roots Kompressoren) der allergrößte Teil der Arbeit dabei für Dichtflächen­ reibung und Massenbeschleunigung aufgewendet werden muß. Die eigentliche Arbeit, nämlich die Luftsäule im Ansaugrohr eines Motors in den Brennraum zu schieben und damit die verbrauchte Atmosphäre zu verdrängen, ist nur ganz gering.

Dies gilt sinngemäß auch für die aus der DE-AS 10 37 196 für eine mit Fremdzündung arbeitende Zweitaktbrennkraftmaschine bekannte Spül- und Ladeein­ richtung, bei der jedem Arbeitszylinder oder Zylinder­ paar eine Kolbenpumpe zugeordnet ist, sowie auch für die aus der DE 41 15 537 A1 bekannte Art der Spülung bei einem Zweitaktmotor, die eine besondere Gestaltung der Kolben als Doppelkolben erfordert.

Zwar ist aus der DE 31 15 772 C2 eine Vorrichtung zum Befühlen der Zylinder von Brennkraftmaschinen bekannt, bei der dem Ansaugvorgang eine Aufladephase mittels ei­ nes gesteuerten oder getakteten Treibstrahls ange­ schlossen wird. Die bekannte Vorrichtung wäre jedoch nicht geeignet, eine nicht selbst saugende Brennkraft­ maschine vollständig zu laden oder zu spülen und gleichzeitig auch noch Wasser feinst vernebelt einzu­ bringen.

Zweitaktmotoren haben, verglichen mit Viertaktmotoren, nur die Hälfte der Zeit zur Verfügung, Wärme vom Kolben abzuführen, weil jede Umdrehung der Kurbelwelle für je­ den Kolben eine Zündung bringt. Sie werden also zu heiß und benötigen eine sogenannte Innenkühlung bzw. Wasse­ reinspritzung.

Zum Zweck der Innenkühlung von Dieselmotoren ist durch die DE 44 16 886 A1 eine Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser in die Einlaßstutzen bekannt, das in ar­ beitszyklischer Abhängigkeit von den Venilt- bzw. Kol­ benbewegungen mit hohem Druck über Einspritzdüsen, ähn­ lich den Dieseleinspritzdüsen, eingespritzt wird. Durch die Wassereinspritzung soll auch die Bildung von Stickoxiden (NO_x) unterdrückt werden.

Des weiteren ist es durch die DE 34 05 899 A1 bekannt, zum Zweck einer Verbesserung der Leistung von Verbren­ nungsmotoren Wasser unter hohen Drücken von 20 bis 200 bar über eine Düse in eine Vernebelungskammer ein­ zusprühen, die stromauf von dem Vergaser angeordnet ist.

Durch die DE 35 17 177 A1 ist es schließlich bekannt, in aufeinanderfolgenden Arbeitstakten einer mit Krafts­ offeinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschine alter­ nierend Kraftstoff und Wasser einzuspritzen, wobei, nachdem die Betriebstemperatur erreicht ist, die Kraft­ stoff- und die Wassereinspritzung mittels der selben Pumpe erfolgt, die, ventilgesteuert, alternierend an eine Kraftstoffzufuhrleitung und an einer Wasserzufuhr­ leitung angeschlossen wird.

Die bekannten Wassereinspritzeinrichtungen sind glei­ chermaßen mit dem Nachteil behaftet, daß wegen der ho­ hen erosiven Wirkung des unter hohem Druck durch die Düsen gepreßten Wassers diese einem erheblichen Ver­ schleiß ausgesetzt sind.

Die Wassereinspritzung ist vielmehr wegen der kurzen flüssigen Phase des Wassers einerseits und der stark erosiven Eigenart des Wassers andererseits, technisch so schwierig, daß sogar schon mit Kraftstoff-Wasser- Emulsionen als Einspritzflüssigkeit experimentiert wird (Naphtalin-Wasser-Emulsion, 25% bis 55% Wasser + Emulgatoren + Stabilisatoren). Diese haben aber den Nachteil, daß der Wasseranteil nicht last- oder tempe­ raturabhängig dosiert werden kann.

Die erfindungsgemäße Einrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vermittelt mit vergleichsweise geringem Energie- und apparativem Aufwand eine Lösung der bei Zweitakt-Dieselmotoren bestehenden Probleme, nämlich

• a) Spülung oder Aufladung, insbesondere Startaufla­ dung und
• b) Innenkühlung bzw. Wassereinspritzung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematisch vereinfachte Darstellung ei­ ner nach dem Prinzip der gaskinetischen Injek­ tion als gaskinetischer Transformator arbei­ tenden, erfindungsgemäßen Einrichtung und

Fig. 2 eine nach dem Prinzip der Druckgasgewinnung aus Verbrennungsdruck im Sinne einer selbst­ steuernden Methode der Druckimpulsgewinnung arbeitende erfindungsgemäße Einrichtung in ei­ ner der Fig. 1 entsprechenden Darstellung.

Die in der Fig. 1 dargestellte Einrichtung zur Aufla­ dung oder Spülung eines Zweitakt-Dieselmotors arbeitet nach dem Prinzip, daß Luft oder Gemisch im Ansaugrohr oder am Einlaß mittels eines Gasstoßes, nach dem Injek­ tions- oder Bunsenprinzip, beschleunigt oder transpor­ tiert wird. Mit diesem "Hochdruckgas" (10 bis 200 bar), das nur in ganz geringer Menge erzeugt wird, beschleu­ nigt (verdichtet) man die Luftsäule im Saugrohr des Mo­ tors genau zum richtigen Zeitpunkt nach dem Bunsen- oder Wasserstrahlluftpumpenprinzip: Ein ganz kurzer Hochdruckgasstoß, durch eine feine Düse in der Achse des Saugrohrs, verdichtet/beschleunigt die Gassäule und füllt/spült den Brennraum. Die Energie wird also im Ge­ gensatz zu anderen Ladeprinzipien nur ganz kurz benö­ tigt. Wenig Gas bei hohem Druck = viel Gas bei geringem Druck = gaskinetischer Transformator.

Gleichzeitig wird der gaskinetische Injektor dazu ge­ nutzt, dosiert Wasser nach dem Parfümzerstäuberprinzip, ganz nach Bedarf durch das Saugrohr in den Brennraum einzublasen. Beides, die Ladung und die Wassereinbrin­ gung findet mit derselben Injektionsdüse gleichzeitig statt. Man führt mit dem Wasser nicht nur ein Kühlmit­ tel zu, sondern es dient, nach der Verdampfung, auch als Arbeitsgas, das sich durch die Verbrennung des Die­ selkraftstoffs erhitzt, dehnt, und Arbeit an den Kolben abgibt. Es senkt die Maximaltemperatur und die Konzen­ tration der restlichen Gase im Brennraum und verhindert weitgehend die Oxidation des Luftstickstoffs.

Unter Wasser muß man demineralisiertes Wasser verste­ hen. Das Wassereinblasen ist bei Leerlauft nicht erfor­ derlich. Erst wenn sich der Betriebszustand bei Be­ triebstemperatur der Halblast nähert öffnet der Wasser­ durchflußregler ein Stück weit. Bei Vollast hat er voll geöffnet und läßt, je nach Motor bis zu 150% der Menge des über die Einspritzdüse eingespritzten Dieselkraft­ stoffs durchlaufen. Dazwischen kann man die Wassermenge analog zur Dieseleinspritzmenge regeln. Das Wasser steht mit geringem hydrostatischen Druck an einem Durchflußregeler an. Da Wasser unter 0°C gefriert, sollte man den Gesamtwasservorrat auf verschiedene, von einem Durchflußregelventil an größer werdende verbunde­ ne Kunststoffbehälter verteilen, die mit Kühlwasser sukzessiv aufgetaut werden können. Das ins Saugrohr ra­ gende Stück des Wasserrohres muß bei Frost elektrisch oder über eine geeignete Wärmebrücke durch das Kühlwas­ ser beheizt werden. Temperaturen über 100°C müssen in allen Bereichen, in denen sich das Wasser befindet, ausgeschlossen werden.

Zur Druckgasgewinnung kann ein kleiner Kompressor bei den Ansaugrohren vorgesehen sein. Im Falle eines V4- Zweitaktdiesels wird unmittelbar in der Nähe der An­ saugrohre ein kleiner Vierkolbenkompressor in V- oder Reihenanordnung angebracht, dessen Welle sich 1 : 1 mit der Motorkurbelwelle dreht. Die Kompressionsfolge der vier Kolben beträgt 90°. Das Ansaugvolumen der Kompres­ sorzylinder braucht nur ca. 1/250 des Motorhubraums zu betragen. Der Injektionszeitpunkt kann nun durch das relative Verstellen der Kurbelwinkel der beiden Wellen eingestellt werden, etwa wie der Einspritzzeitpunkt bei einer Dieseleinspritzpumpe; so daß kurz bevor der Ein­ laßschlitz des jeweiligen Zylinders maximal geöffnet hat, Druckluft injiziert wird. Man kann eine dynamische Frühverstellung einbauen, etwa wie bei der Zündung von Benzinmotoren. Wichtig dabei sind möglichst kurze und dünne Rohrleitungen zur Injektionsdüse. Je kürzer und dünner, desto kleiner kann das Volumen des Kompressors gewählt werden.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 arbeitet nach dem Prinzip der Druckgasgewinnung aus Verbrennungsdruck. Vorausgesetzt ist ein V4-Zweitaktdiesel.

Man bringt an jeden Zylinder eine Querbohrung in Höhe des Kolbenbodens bei ca. 80° Kurbelwinkel (je nach ge­ wünschter Drehzahl) nach dem jeweiligen oberen Totpunkt an. Diese verbindet man mit einem möglichst kurzen und wenig gebogenen, dünnen Rohr direkt mit der Injektions­ düse des Zylinders, dessen Kolben zum selben Zeitpunkt entsprechend 170° Kurbelwinkel nach OT hat. Also die Bohrung jedes Zylinders wird mit der Injektionsdüse des 90° späteren Zylinders verbunden. So gelangt ein Bruch­ teil des Verbrennungsdruckgasstoßes eines jeden Zylin­ ders, der in die Bohrung gelangt, wenn der Kolben die­ selbe passiert und freigibt, durch das Rohr in die In­ jektionsdüse des jeweilig 90° späteren Zylinders. Das passiert genau dann, wenn er dort gebraucht wird, um die Luftsäule zu beschleunigen, nämlich kurz vor dem maximalen Öffnen des Einlaßschlitzes. In diesen Fall der Selbststeuerung kann kurz vor der Düse des Injekti­ onsrohrs ein Überdruckventil angebracht werden, das die ankommende Druckwelle solange zurückhält, bis ein Min­ destdruck von ca. 20 bar erreicht ist. Zum Starten, al­ so bis zur ersten Zündung, benötigt ein so aufgeladener Motor eine kurzfristige Druckerhöhung im Ansaugbereich, z. B. mittels eines kleinen Gleichstromgebläses vor oder nach dem Luftfilter. Je nach gewünschtem Drehzahl­ band des Motors müssen Bohrungsposition, Saugrohrlänge, Ausformung, Düsendurchmesser, Bohrungsdurchmesser und lichte Weite des Verbindungsrohres gewählt werden. Man kann dabei versuchen, das Verbindungsrohr so zu gestal­ ten, daß es wie eine Einschnürung in einem Rohr mit größerem Durchmesser wirkt, was weniger Druckverlust verursacht.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird das "Hochdruckgas" einfach aus dem Kompressions- und/oder Verbrennungsdruck des jeweils passenden Zylinders abge­ zweigt, den man, je nach Auslegung im Überfluß zur Ver­ fügung hat. Mit diesem Hochdruckgas wird die Luftsäule im Saugrohr des Motors genau zum richtigen Zeitpunkt beschleunigt.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Aufladung und Spülung von Zweitakt­ diesel-Verbrennungsmotoren, bei der Luft im Ansaug­ rohr oder am Einlaß mittels eines Gasstoßes nach dem Injektionsprinzip beschleunigt, verdichtet und transportiert wird, bei der weiter Wasser mittels eines Gasstoßes nach dem Parfümzerstäuberprinzip in den Brennraum eingeblasen wird und bei der eine zur Erzeugung des die Luft beschleunigenden Gasstoßes vorgesehene Injektionsdüse auch zum gleichzeitigen Einblasen des Wassers dient.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß als Druck für die Erzeugung des Gasstoßes der Verbrennungsdruck des Motors genutzt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 bei Verbrennungsmotoren mit einer Zündfolge von höch­ stens 90°, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeu­ gung des Gasstoßes der Verbrennungsdruck eines vor­ laufenden Zylinders genutzt ist.