DE2316027C3 - Mittels Abgasturboladers aufgeladene Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mittels Abgasturboladers aufgeladene Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmaschine, mit einer Umblaseleitung für Ladeluft in die Abgasleitung vor der Turbine und mit in der Umblaseleitung angeordneten Drosselmitteln mit stetig veränderbarem Durchtrittsquerschnitt, welche eine Druckdifferenz zwischen dem Auslafi des Kompressors und dem Einlaß der Turbine erzeugen.

Aus der DT-OS 21 20 687 ist es bekannt eine Beipaß- oder Umblaseleitung für den unmittelbaren ständigen Durchtriti von von dem Verdichter gelieferter Frischluft zu den aus dem Motor kommenden Abgasen vorzusehen. Es ist dabei eine Brennkammer vor der Turbine vorgesehen, welche mit den Abgasen und der Frischluft, welche durch die Umblaseleitung zugeführt wird, gespeist wird.

Aus der deutschen Patentschrift 6 93 277 ist es bereits bekannt, den Aufladedruck bei Brennkraftmaschinen mittels eines Regelventils zu regeln. Dieses Ventil wird dabei von Hand oder in Abhängigkeit von irgendwelchen Betriebsgrößen geregelt, z. B. von der Brennstoffzufuhr oder bei Flugzeugen von der Flughöhe.

In der DT-OS 14 51 910 ist ferner eine Brennkraftmaschine mit Abgasturboleitung bekannt, bei der in der Umblaseleitung Rückschlagventile vorgesehen sind.

Die schweizer Patentschrift 5 08 127 beschreibt schließlich eine Luftzuführungsvorrichtung an einem Verbrennungsmotor, bei der eine Umblasele.tung ein Ventil zur Trennung von Ein- und Auslaßleitung vorgesehen ist. Das Ventil wird dabei von Hand betätigt oder automatisch so lange geöffnet, wie Brennstoff zugeführt wird.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, die Vorteile, die mit der im Betrieb ständig offenen und zur Überführung der gesamten, von der Brennkraftmaschine nicht aufgenommenen Luftmenge geeigneten Umblaseleitung verbunden sind, beizubehalten und gleichzeitig vor allem für eine gute Spülung zu sorgen. Außerdem soll auch die Ausschubarbeit der Verbrennungsgase aus den Zylindern der Brennkraftmaschine verringert und damit ihr Wirkungsgrad erhöht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Drosselmittel im wesentlichen allein durch die Drücke, die vor und hinter der Drosselstelle herrschen, gesteuert werden, wobei die Erhöhung des Drucks hinter der Drosselstelle eine Verringerung ihres Durchtrittsquerschnitts und die Erhöhung des Drucks vor der Drosselstelle eine Vergrößerung ihres Durchtrittsquerschnitts bewirkt, derart, daß sich die von den Drosselmitteln erzeugte Druckdifferenz im gleichen Sinne wie der Druck in der Umblaseleitung vor der Drosselstelle ändert.

Die Tatsache, daß die Steuerung des Durchtrittsquerschnitts im wesentlichen allein durch die Drücke vor und hinter der Drosselstelle bewirkt wird, hat automatisch zur Folge, daß die erzeugte Druckdifferenz von der durch die Drosselstelle strömende Luftmenge unabhängig ist. Bei Änderung der Luftmenge stellt sich automatisch der Durchtrittsquerschnitt der Drosselstelle unter dem Einfluß der Drücke so ein, daß die dem Druck von der Drosselstelle entsprechende Druckdifferenz aufrechterhalten bleibt. Bei einem bestimmten Druck vor der Drosselstelle bleibt also die durch die Drosselung erfolgte Druckdifferenz konstant, auch wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine und damit die von ihr aufgenommene Luft wesentliche Änderungen erfährt, was wiederum zu wesentlichen Änderungen der durch die Umblaseleitung strömenden Luftmenge führt

Andererseits ist es für das optimale Arbeiten der Anlage von großer Bedeutung, daß die von den Drosselmitteln erzeugte Druckdifferenz sich im gleichen Sinne ändert wie der Druck in der Umblaseleitung vor der Drosselstelle; das heißt, die Druckdifferenz nimmt bei steigendem Vorverdichtungidruck zu und bei fallendem Vorverdichtungsdruck ab. Zweckmäßigerweise ist die Veränderung der Druckdifferenz eine lineare oder im wesentlichen lineare Funktion der Veränderung des Vorverdichtungsdrucks, das heißt des Drucks vor der Drosselstelle.

Die Folge davon ist, daß das Verhältnis zwischen dem Verdichtungsgrad des Turbokompressors und dem Entspannungsgrad der Turbine konstant bleibt Dies führt dazu, daß die jeweils notwendige Antriebsenergie der Turbine mit den geringsten Gastemperaturen erhalten wird. Eine weitere Folge der Veränderung der Druckdifferenz in Abhängigkeit von dem Vorverdichtungsdruck besteht in dem Erhalt bester Spülbedingungen für die Zylinder der Brennkraftmaschine.

Die Steuerung der Drosselmittel in der Umgehungsleitung im wesentlichen ausschließlich durch die vor und hinter der Drosselstelle herrschenden Drücke stellt ein Merkmal dar, dessen Vorteil oben dargelegt ist. Neu ist in diesem Zusammenhang die Steuerung der Drosselmittel, derart, daß die durch die Drosselmittel erzeugte Druckdifferenz im gleichen Sinne veränderlich ist wie der vor der Drosselstelle herrschende Vorverdichtungsdruck. Neu ist schließlich auch die Anwendung dieser Drosselung auf eine im Betrieb ständig offene Umblaseleitung, die das Arbeiten des Kompressors in der Nähe seiner Pumplinie gestattet.

Da die Förderarbeit der Abgase verringert wird, wird offenbar der effektive mittlere Druck um einen Wert erhöht, welcher der Differenz zwischen dem Druck vor den Drosselmitteln und dem Druck hinter denselben entspricht.

Ferner kann man den Motor mit hohen Vorverdichtungsdrücken arbeiten lassen, da der Kompressor in der Nähe der Pumpgrenze arbeitet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung enthalten die Drosselmittel ein in der Umblaseleitung angeordnetes, mit einem festen Sitz zusammenwirkendes Drosselorgan.

Dieses Drosselorgan kann fest mit einem Ausgleichskolben verbunden sein, dessen Innenseite unter dem in dem strömungsaufwärts liegenden Teil der Umblaseleitung herrschenden Druck steht, während seine Außenseite einem Gegendruck ausgesetzt ist (Atmosphärendruck oder ein zwischen den Atmosphärendruck und dem in dem strömungsaufwärts liegenden Teil der Umblaseleitung herrschenden Druck liegender Druck).

Es können dann elastische Rückholmittel in dem einen oder dem anderen Sinn auf die durch das Drosselorgan und seinen Ausgleichskolben gebildete bewegliche Anordnung wirken.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, welche

fto dann anwendbar ist, wenn eine Brennkammer vorgesehen ist, welche mit Frischluft durch eine Primärluftzufuhr zur Einführung von Frischluft in eine Verbrennungszone und durch eine Sekundärluftzufuhr zur Einführung von Frischluft in eine Mischzone gespeist

(15 wird, umfassen die Drosselmittel parallel geschaltet erste Drosselmittel mit veränderlichem Durchtrittsquerschnitt, welche von der Sekundärluft durchströmt werden und zwischen dem strömungsaufwärts liegen-

den Teil der Umblaseleitung (mit dem Kompressor verbundener Teil) und dem strömungsabwärts liegenden Teil der Umblaseleitung (mit der Brennkammer verbundener Teil) eine Druckdifferenz erzeugen, welche eine wachsende, praktisch lineare Funktion des in dem strömungsaufwärts liegenden Teil herrschenden Drucks ist, sowie zweite Drosselmittel mit veränderlichem Durchtrittsquerschnitt, welche der durch die ersten Drosselmittel erzeugten Druckdifferenz ausgesetzt und so angeordnet sind, daß sie von der Primärluft ι ο durchströmt werden, wobei diese zweiten Drosselmittel die Primärluftmenge regeln, indem sie dieser einen Durchtrittsquerschnitt bieten, welcher durch den in dem strömungsabwärts liegenden Teil oder dem strömungsaufwärts liegenden Teil der Umblaseleitung herrschenden Druck gesteuert wird, wobei diese Steuerung gemäß einem vorbestimmten Gesetz erfolgt.

Vorzugsweise steuern diese zweiten Drosselmittel außerdem einen Vorrichtung zur Regelung der in die Brennkammer eingespritzten Brennstoffmenge, derart, daß für das Verhältnis zwischen der Primärluftmenge und der Brennstoffmenge ein eine gute Stabilität der Verbrennung gewährleistender Wert aufrechterhalten wird.

Es stellt sich dann offenbar eine Beziehung zwischen dem Durchtrittsquerschnitt S_n für die Primärluft und dem Durchtrittsquerschnitt S₁ für die Sekundärluft ein.

Wenn nämlich Δ P die Druckdifferenz beiderseits der ersten Drosselmittel und P den in dem strömungsaufwärts liegenden Teil der Uniblaseleitung herrschenden Druck bezeichnet, kann die wachsende lineare Funktion zwischen AP und P folgendermaßen geschrieben werden:

worin λ und β zwei Koeffizienten bezeichnen.

Ferner kann geschrieben werden, daß diese Druckdifferenz 4P der zu spezifischen Masse m der Frischluft und dem Quadrat ihrer Geschwindigkeit Vproportional ist:

ΔΡ= km V²,

worin k in erster Annäherung eine Konstante ist.

Aus den beiden obigen Gleichungen kann der Wert der Geschwindigkeit ^abgeleitet werden:

S_P+

mV

40

45

Nun ist aber die Summe der Durchlrittsquerschnitte Sp und Ss mit der gesamten Frischluftmenge Q in der Abzweigleitung durch folgende Gleichung verbunden:

Unter diesen Bedingungen hängt die Primärluftmen ge Qp von dem Druck P nur noch nach folgende Gleichung ab:

worin S_p eine Funktion von P ist, d. h. S_p = f(PX worin / (P) das vorbestimmte Gesetz ist, welches den Durchtrittsquerschnitt 5p mit dem Druck Pverbindet Hieraus ergibt sich unter Ersatz der Geschwindigkeit durch ihren Wert in Funktion des Drucks:

60

65 Die Sekundärluftmenge Q_s ist stets gleich dei Differenz zwischen der gesamten in der Umblascleitunj strömenden Strömungsmenge und der Primärluftmeng*

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform de Erfindung umfassen die ersten Drosselmittel eim bewegliche Anordnung, welche einerseits die zweite: Drosselmittel und andererseits die Vorrichtung zu Regelung der Brennstoffmenge enthält.

Hierfür kann die bewegliche Anordnung der erstei Drosselmittel durch einen Zylinder gebildet werder welcher außen ein mit einem festen Sitz zusammenwir kendes Drosselorgan trägt, während die zweitei Drosselmittel durch eine oder mehrere in diesen Zylinder ausgebildete öffnungen und durch einen dies< öffnungen abdeckenden oder freilegenden Schiebe gebildet werden, welcher durch einen Kolben betätig wird, dessen eine Seite unter dem in dem strömungsab wärts oder strömungsaufwärts liegenden Teil de Umblaseleitung herrschenden Druck steht, während di andere Seite der Wirkung eines Gegendrucks und de Wirkung einer Feder ausgesetzt ist, wobei der Schiebe oder der Kolben zweckmäßig mit der Vorrichtung zu Regelung der Brennstoffmenge verbunden ist.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme au die Zeichnung beispielshalber erläutert.

F i g. 1 ist eine schematische Ansicht eines erfindungs gemäßen, mit Vorverdichtung gespeisten Dieselmotor mit einer Brennkammer mit einer einzigen Frischluftzu fuhr.

Fig.2 ist eine schematische Ansicht eines mi Vorverdichtung gespeisten Dieselmotors mit eine Brennkammer mit zwei Frischluftzufuhren, welche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgebil det ist, bei welcher die Brennkammer einen Einspritze »mit Rückfluß« aufweist.

F i g. 3 ist eine schematische Ansicht eines mi Vorverdichtung gespeisten Dieselmotors mit eine Brennkammer mit zwei Frischluftzufuhren, welche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgebil det ist, bei welcher die Brennkammer einen Einspritze »ohne Rückfluß« aufweist

Fig.4 ist eine Teilansicht eines wesentliche! Elements des Motors der F i g. 2, welche eine Ausfüh rungsabwandlung der Erfindung zeigt

F i g. 5 ist ein das Arbeiten eines erfindungsgemäßei Motors darstellendes Schaubild.

Der in Fig. 1 dargestellte Dieselmotor 101 wird mi Vorverdichtung durch ein Turbokompressoraggrega 102 gespeist

Das Turbokompressoraggregat 102 umfaßt eine Kompressor 103, welcher verdichtete Luft zur Speisun; des Motors über eine Leitung liefert, und eine mit dei Abgasen des Motors 101 betriebene Turbine tot welche den Kompressor 103 über eine Welle Ift antreibt

Es ist eine Umblaseleitung 106 für den unmittelbarei ständigen Durchgang von an dem Kompressor IO:

abgenommener Frischluft zu den aus dem Motor kommenden Abgasen vorgesehen.

Es ist dann vorzugsweise vor der Turbine 104 eine Brennkammer 107 vorgesehen, welche mit den Abgasen und mit durch die Umblaseleitung 106 zugeführter Frischluft gespeist wird.

Es sind Drosselmittel 108 mit veränderlichem Durchtrittsquerschnitt vorgesehen, welche von der durch die Umblaseleitung 106 strömenden Luft durchströmt werden und zwischen dem strömungsaufwärts liegenden Teil der Umblaseleitung 106 (mit dem Kompressor 103 verbundener Teil) und dem strömungsabwärts liegenden Teil der Abzweigleitung 106 (mit der Turbine 104 über die Brennkammer 107 verbundener Teil) eine Druckdifferenz Δ Ρ erzeugen, welche eine praktisch linear wachsende Funktion des in dem strömungsaufwärts liegenden Teil herrschenden Drucks ist.

Diese Funktion kann folgendermaßen beschrieben werden:

ΔΡ =

ß\

worin x' und ß' zwei Koeffizienten sind.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Drosselmittel 108 ein Drosselorgan 108a, welches in der Umblaseleitung 106 angeordnet ist und mit einem festen Sitz zusammenwirkt.

Das Drosselorgan 108a kann von einer Stange 108£> getragen werdenderen Ende fest mit einem Ausgleichskolben 108c verbunden ist, welcher mit einem Zylinder gleitet oder besser mit der Umblaseleitung 106 durch eine verformbare Wand 108d verbunden ist.

Der Durchmesser des Drosselorgans 108a und der Durchmesser des Kolbens 108c sind so bemessen, daß sich das Drosselorgan 108a unter dem auf seine strömungsaufwärts liegende Seite und die Innenseite des Kolbens 108c wirkenden Druck P, dem auf seine strömungsabwärts liegende Seite wirkenden Druck P — ,4P und dem auf die Außenseite des Kolbens 108c wirkenden Atmosphärendruck im Gleichgewicht befindet

Ferner können elastische Rückholmittel auf das Drosselorgan 108a wirken, um den Wert des Koeffizienten ß' des Gesetzes

ΔΡ=

ß¹

festzulegen.

Diese elastischen Rückholmittel können durch eine Feder 109 und/oder durch die Eigenelastizität der verformbaren Wand 108rfgebildet werden.

Zur Veränderung des Koeffizienten ß' können Regelmittel zur Einstellung der resultierenden Kraft vorgesehen werden, weiche auf das Drosselorgan 108a von den elastischen Rückholmitteln ausgeübt wird. Diese Regelmittel können durch eine Mutter 110 zur Veränderung der Spannung der elastischen Rückholmittel gebildet werden.

Diese Ausbildung ist besonders vorteilhaft, da sie gestattet, die durch die Drosselmittel 108 erzeugte Druckdifferenz der Anlage anzupassen, welcher der mit Vorverdichtung gespeiste Motor angehört Diese Druckdifferenz kann insbesondere dem Druckabfall angepaßt werden, welcher durch eine am Eingang des Kompressors 103 angeordnete Filtervorrichtung 111 und/oder durch einen am Ausgang der Turbine 104 angeordneten Schalldämpfer 112 erzeugt wird.

Auf das Drosselorgan tO8a kann zweckmäßig eine weiter unten näher erläuterte viskose Dämpfervorrichtung wirken, um die Luftschwingungen aufzunehmen, welchen das Drosselorgan 108a ausgesetzt sein kann.

Diese viskose Dämpfervorrichtung wird vorzugsweise aus einer Quelle zur Lieferung eines viskosen Druckmittels mit veränderlichem Druck gespeist.

Nachstehend ist ein Merkmal der Erfindung genauer beschrieben, welches dann anwendbar ist, wenn die

ίο Brennkammer mit Frischluft durch eine Primärluftzufuhr zur Einführung von Frischluft in eine Verbrennungszone und durch eine Sekundärluftzufuhr zur Einführung von Frischluft in eine Mischzone gespeist wird.

ι s Hierfür ist zunächst auf F i g. 2 und 3 Bezug genommen, welche einen Dieselmotor 1 zeigen, welcher zur Vorverdichtung durch ein Turbokompressoraggregat 2 gespeist wird.
Dieses Turbokompressoraggregat 2 enthält einen Kompressor 3, welcher verdichtete Luft zur Speisung des Motors über eine Leitung 4 liefert, und eine mit den Abgasen des Motors 1 betriebene Turbine 5 zum Antrieb des Kompressors 3 über eine Welle 6.

Eine Umblaseleitung 7 ermöglicht einen unmittelbaren ständigen Übertritt von von dem Verdichter 3 gelieferter Frischluft zu den aus dem Motor kommenden Abgasen.

Vor der Turbine 5 ist dann eine Brennkammer 8 vorgesehen, welche mit den Abgasen über eine Leitung 9 und mit Frischluft über die Umblaseleitung 7 gespeist wird.

Die Brennkammer 8 wird ferner mit Brennstoff durch einen Einspritzer 10 gespeist, welcher durch eine Pumpe 11 aus einem Vorratsbehälter 12 gespeist wird.

Zur Speisung der Brennkammer 8 mit Abgasen und Frischluft ist eine Ausbildung vorgesehen, bei welcher die Brennkammer durch eine Primärluftzufuhr 13 zur Einführung von Frischluft in eine Verbrennungszone 14, durch eine Abgaszufuhr 15 zur Einführung der Abgase in eine hinter der Verbrennungszone 14 liegende Mischzone 16 und durch eine Sekundärluftzufuhr 17 zur Einführung von Frischluft an der Stelle der Mischzone 16 gespeist wird.

Die Primärluftzufuhr 13 kann durch eine zu der Brennkammer 8 gleichachsiges zentrales Rohr 18 erfolgen.

Die Abgaszufuhr kann dann durch eine erste, die zentrale Rohrleitung 18 umgebende rohrförmige Leitung 19 und die Sekundärluftzufuhr 17 durch eine zweite, die erste rohrförmige Leitung 19 umgebende rohrförmige Leitung 20 geschehen.

Es sind erste Drosselmittel 21 mit veränderlichem Durchtrittsquerschnitt, welche von der Sekundärluft durchströmt werden und zwischen dem strömungsaufwärts liegenden Teil der Umblaseleitung 7 (mit dem Kompressor 3 verbundener Teil) und dem strömungsabwärts liegenden Teil der Umblaseleitung 7 (mit der Brennkammer 8 verbundener Teil) eine Druckdifferenz AP erzeugen, welche eine vorzugsweise linear oder praktisch linear wachsende. Funktion des in dem strömungsaufwärts liegenden Teil herrschenden Drucks P ist, sowie zweite Drosselmittel 22 mit veränderlichem Durchtrittsquerschnitt vorgesehen, welche der durch die ersten Drosselmittel 21 erzeugten Druckdifferenz Δ P ausgesetzt sind und von der Primärluft durchströmt werden, wobei diese zweiten Drosselmittel 22 der Primärluft einen Durchtrittsquerschnitt bieten, welcher durch den in dem strömungsabwärts liegenden Teil der

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Umblaseleitung 7 herrschenden Druck P — AP gesteuert wird.

Zweckmäßig steuern diese zweiten Drosselmittel 22 außerdem eine Vorrichtung 23 zur Regelung der Brennstoffmenge, welche die in die Brennkammer 8 s eingespritzte Brennstoffmenge so steuert, daß zwischen der Primärluftmenge und der Brennstoffmenge ein den stöchiometrischen Anteilen möglichst naheliegendes Verhältnis vorliegt.

Die durch die Umblaseleitung 7 strömende Frischluft teilt sich dann in durch die Primärzufuhr 13 und die zweiten Drosselmittel 22 zur Speisung der Verbrennungszone 14 der Brennkammer 8 strömende Primärluft und durch die Sekundärluftzufuhr 17 und die ersten Drosselmittel 21 zur Speisung der Mischzone 16 der is Brennkammer 8 strömende Sekundärluft.

Die in der Umblaseleitung 7 strömende Luftmenge ändert sich in einem Verhältnis von größenordnungsmäßig 1 zu 10, je nachdem, ob der Motor mit Vollast (Brennkammer im Bereitschaftszustand) oder im Langsamlauf (Höchstleistungder Brennkammer) arbeitet.

Die Brennstoffmenge, welche für das Arbeiten der Brennkammer 8 erforderlich ist, welches die Selbständigkeit des Arbeitens des Turbokompressoraggregats 2 beim Anlassen des Motors gewährleistet, und die Brennstoffmenge zur Aufrechterhaltung des Arbeitens der Brennkammer 8 im Bereitschaftszustand stehen dagegen in einem Verhältnis von größenordnungsmäßig 30 zul.

Die Stabilität der Verbrennung in der Brennkammer ist nun am günstigsten, wenn die die Verbrennung bewirkende Luftmenge, d. h. die durch die Primärluftzufuhr strömende Luftmenge, in der Nähe der den stöchiometrischen Verhältnissen entsprechenden Menge liegt.

Wie oben ausgeführt, wird also die Summe der Durchtrittsquerschnitte S_p + S₅ (für die Primärluft bzw. die Sekundärluft) durch die Werte des Förderdrucks P des Kompressors und der Frischluftmenge Q in der Umblaseleitung 7 bestimmt.

Unter diesen Bedingungen genügt es zur Bestimmung der Primärluftmenge und der Sekundärluftmenge, auf einen dieser Durchtrittsquerschnitte einzuwirken, da sich der zweite von selbst durch Druckdifferenz einstellt. Man wirkt dann auf den Durchtrittsquerschniti Sp für die Primärluft ein.

Das vorbestimmte Gesetz für die Steuerung zwischen dem Durchtrittsquerschnitt S_n für die Primärluft und den in dem strömungsabwärts liegenden Teil der Umblaseleitung 7 herrschenden Förderdruck P-AP kann so gewählt werden, daß das Arbeiten der Brennkammer mit der durch den Motor und das Turbokompressoraggregat gebildeten Anordnung gewährleistet wird. Dieses Gesetz ist weiter unten näher erläutert, nachdem zwei Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, von denen die erste eine Speisung der Brennkammer durch einen Einspritzer des Typs »mit Rückfluß« (Fig.2) und die andere eine Speisung der Brennkammer durch einen Einspritzer des Typs »ohne Rückfluß« (F ig. 3) betrifft

Gemäß einer in konstruktiver Hinsicht besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung, welche gemäß zwei in Fig.2 bzw. 3 dargestellten Formen verwirklicht werden kann, umfassen die ersten Drosselmittel 21 eine bewegliche Anordnung, welche die zweiten Drosselmittel 22 und die Vorrichtung 23 zur Regelung der Brennstoffmenge enthält

Hierfür kann die Querschnittsveränderlichkeit der ersten Drosselmittel 21 durch einen beweglichen Zylinder 24 gebildet werden, welcher nach der Turbine 5 zu ein mit einem festen Sitz 26 zusammenwirkendes Drosselorgan 25 trägt. Die zweiten Drosselmittel 22 können dann durch eine oder mehrere in dem Zylinder 24 ausgebildete öffnungen 27 und durch einen die öffnungen 27 abdeckenden oder freilegenden Schieber 28 gebildet werden, welcher einen Kolben bildet, dessen eine Seite dem Druck der Primärluft und dessen andere Seite der Wirkung eines Gegendrucks P_c und einer Feder 29 ausgesetzt ist, wobei der Schieber 28 mit der Vorrichtung 23 zur Regelung der Brennstoffmenge verbunden ist.

Die Abdeckung oder Freilegung der öffnungen 27 durch den einen Kolben bildenden Schieber 28 kann dadurch erreicht werden, daß der Kolben in seinem Mantel 286 mit einer oder mehreren öffnungen 28a versehen wird.

Der auf den Schieber 28 wirkende Gegendruck kann gleich dem Atmosphärendruck sein.

In gewissen Fällen kann jedoch zur Verschiebung des Regelbereichs ein über dem Atmosphärendruck liegender Gegendruck P_c gewählt werden. Es ist dann besonders einfach, eine Regelkammer 30 vorzusehen, welche mit der betreffenden Seite des Schiebers 28 in Verbindung steht und auch mit dem Atmosphärendruck durch eine Drosselöffnung 31 in Verbindung steht, wobei die Regelkammer 30 über eine biegsame Leitung

32 mit Luft unter Druck gespeist wird. Diese Druckluft tritt ständig aus der Regelkammer 30 durch die Drosselöffnung 31 aus und erzeugt in der Regelkammer 30 einen Überdruck, welcher dann den Gegendruck P₁ bildet.

Hierfür ist es besonders zweckmäßig, die in die Regelkammer 30 mündende biegsame Leitung 32 mit einer Leitung der Motoranlage zu verbinden, in welcher gekühlte verdichtete Frischluft strömt. Es kann darin zwischen dem Motor 1 und einem Einlaßkühler R eine Entnahmeleitung 52 angeordnet werden, welche zu der biegsamen Leitung 32 führt, nachdem sie eine Vorrichtung 53 mit einem Nadelventil durchlaufen hat, welches die Einstellung des Gegendrucks P_c auf einen zwischen dem Atmosphärendruck und dem Förderdruck P liegenden Wert gestattet.

Auf die bewegliche Anordnung der ersten Drosselmittel 21 wirkt eine Regelfeder 33 zur Einstellung des Parameters β der linearen Funktion AP = txP + ß, welche die durch die ersten Drosselmittel 21 erzeugte Druckdifferenz angibt. Die Wirkung dieser Regelfeder

33 kann zweckmäßig durch Betätigung eines beweglichen Anschlags 34 eingestellt werden, an welchem sich die Feder 33 abstützt.

Da jedoch die ersten Drosselmittel 21 Schwingungen durch den Luftstrom ausgesetzt sein können, wird zweckmäßig die bewegliche Anordnung dieser ersten Drosselmittel 21 der Wirkung eines hydraulischen Dämpfers 63 unterworfen, wie in F i g. 4 dargestellt, in welcher die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile wie in F i g. 2 bezeichnen. Dieser hydraulische Dämpfer 63 kann aus einer Quelle 64 zur Lieferung eines flüssigen Druckmittels unter einem veränderlichen Druck gespeist werden. Der Druck dieser Druckmittelquelle ersetzt die Wirkung der Feder, und seine Veränderung ersetzt die Wirkung des beweglichen Anschlags.

Für die Vorrichtung 23 zur Regelung der Brennstoffmenge können insbesondere zwei in Fig.2 bzw. 3 dargestellte Ausführungsformen benutzt werden.

Die in Fig.2 dargestellte Ausführungsform ent-

spricht einem die Brennkammer 8 speisenden Einspritzer 10 des Typs »mit Rückfluß«. Die Pumpe 11 speist den Einspritzer 10 unter konstantem Druck über eine Speiseleitung 35, und der nicht in die Brennkammer eingespritzte überschüssige Brennstoff strömt durch eine Rückflußleitung 36, welche über eine biegsame Leitung 37 zu der Vorrichtung 23 zur Regelung der Brennstoffmenge führt.

Diese Vorrichtung 23 zur Regelung der Brennstoffmenge kann ein bewegliches Glied 38 enthalten, welches durch eine Stange 69 mit dem Schieber 28 der zweiten Drosselmittel 22 verbunden ist, wobei die Regelwirkung durch eine veränderliche Düse 39 erzielt wird. Diese veränderliche Düse kann eine kontinuierliche Querschnittsänderung besitzen (durch eine mehr oder weniger in eine öffnung eingeführte Nadel), oder eine diskontinuierliche Querschnittsöffnung (Abdekkung oder Freilegung von öffnungen).

Die veränderliche Düse 39 weist vorzugsweise wenigstens eine Nadel 68 mit einem mehr oder weniger in eine Öffnung 70 eingeführten konischen Abschnitt auf.

Der durch die biegsame Leitung 37 zugeführte Brennstoff füllt eine Zufuhrkammer 40, von der er durch die veränderliche Düse 39 in eine Auffangkammer 41 überströmt, aus welcher er durch eine biegsame Leitung 42 austritt, um durch eine Niederdruckleitung 43 zu dem Vorratsbehälter 12 zurückgeführt zu werden.

Aus Fig. 2 geht hervor, daß bei einer Zunahme des auf den Schieber 28 der zweiten Drosselmittel 22 ausgeübten Drucks dieser Schieber nach links verschoben wird, wodurch einerseits der Durchtritlsquerschnitt der zweiten Drosselmittel 22 und hierdurch die Primärluftmenge verringert und andererseits das bewegliche Glied 38 mit der Nadel 68 der Vorrichtung 23 zur Regelung der Brennstoffmenge nach links verschoben und eier Durchtrittsquerschnitt der veränderlichen Düse 39 und somit die Brennstoffmenge vergrößert wird, welche in der Rückflußleitung 36 strömt, so daß die in die Brennkammer eingespritzte Brennstoffmenge verringert wird.

Bei einer Abnahme des auf den Schieber 28 wirkenden Drucks treten die umgekehrten Wirkungen ein.

In Fig.3 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile wie in Fig. 2, die Brennkammer 8 wird jedoch mit Brennstoff durch einen Einspritzer I0;j gespeist, welcher »ohne Rückfluß« arbeitet. Dieser Einspritzer 10a wird durch eine Pumpe 11a aus dem Vorratsbehälter 12 über die Vorrichtung 23 zur Regelung der Brennstoffmenge und eine Speiseleitung 35a gespeist.

Diese Vorrichtung 23 zur Regelung der Brennstoffmenge kann ein bewegliches Glied 38a enthalten, welches durch eine Stange 69a mit dem Schieber 28 der zweiten Drosselmittel 22 verbunden ist, wobei die Regelwirkung durch eine veränderliche Düse 39a erzielt wird. Diese veränderliche Düse kann eine kontinuierliche Querschnittsänderung haben (durch eine mehr oder weniger in eine öffnung eingeführte Nadel), oder eine diskontinuierliche Querschnittsänderung (Abdeckung oder Freilegung von öffnungen).

Die veränderliche Düse 39a weist wenigstens eine Nadel 68a mit einem mehr oder weniger in eine öffnung 70a eingeführten konischen Abschnitt auf.

Der durch eine biegsame Leitung 37a zugeführte Brennstoff füllt eine Zufuhrkammer 40a, von der er durch die veränderliche Düse 39a in eine Auffangkammer 41 a überströmt, aus welcher er über einen Regler 44 und eine biegsame Leitung 42a austritt, um dem Einspritzer 10a durch eine Hochdruckleitung 43a zugeführt zu werden.

Der mit einem Schieber versehene Regler 44 wird zur Aufrechterhaltung einer konstanten Druckdifferenz beiderseits der veränderlichen Düse 39a verwendet.

Dieser Regler 44 wird durch einen Zylinder 45 gebildet, in welchem ein Kolbenschieber 46 frei

ίο beweglich ist, welcher eine in der Wand des Zylinders 45 ausgebildete öffnung 47 abdeckt oder freigibt.

Dieser frei bewegliche Kolbenschieber definiert also einerseits eine auf der Seite der öffnung 47 liegende, mit der Zufuhrkammer 40a der Vorrichtung 23 zur

is Regelung der Brennstoffmenge in Verbindung gesetzte Kammer 48 und andererseits eine auf der öffnung 47 abgewandten Seite liegende, mit der Auffangkammer 41a der Vorrichtung 23 zur Regelung der Brennstoffmenge in Verbindung gesetzte Kammer 49.

Der frei bewegliche Kolbenschieber 46 ist also der Druckdifferenz zwischen der Zufuhrkammer 40a und der Auffangkammer 41a sowie der Wirkung einer dieser Druckdifferenz entgegenwirkenden Feder 50 ausgesetzt.

Die öffnung 47 steht mit einer zu dem Brennstoffbehälter 12 führenden Auslaßleitung 54 in Verbindung.

Aus F i g. 3 geht hervor, daß bei Zunahme des auf den Schieber 28 der zweiten Drosselmittel 22 wirkenden Drucks der Schieber nach links verschoben wird, wodurch einerseits der Durchtrittsquerschnitt der zweiten Drosselmittel 22 und somit die Primärluftmenge verringert wird und andererseits das mit der Nadel 68a verbundene bewegliche Glied 38a der Vorrichtung 23 zur Regelung der Brennstoffmenge nach links verschoben und der Durchtrittsquerschnitt der veränderlichen Düse 39a verringert wird, so daß die dem Einspritzer 10a durch die Speiseleitung 35a zugeführte Brennstoffmenge verringert wird.
Bei einer Abnahme des auf den Schieber 28 wirkenden Drucks treten natürlich die umgekehrten Vorgänge auf.

Der mit einem Schieber versehene Regler 44 arbeitet so. daß der freie Kolbenschieber 46 die öffnung 47 mehr oder weniger verschließt. Da die Verschiebung des freien Kolbenschiebers 46 sehr gering bleibt, ist die von der Feder 50 auf den freien Kolbenschieber 46 ausgeübte Kraft praktisch konstant, so daß die Druckdifferenz zwischen der Zufuhrkammer 40a und der Auffangkammer 41a bei beliebigen Werten des in der Brennkammer 8 herrschenden Drucks und der eingespritzten Brennstoffmenge praktisch konstant ist.

Der Wert dieser Druckdifferenz wird allein durch die Eichung der Feder 50 eingestellt, für welche ein beweglicher Anschlag 51 vorgesehen werden kann, an welchem sie sich abstützt.

Die durch die veränderliche Düse 39a strömende Brennstoffmenge hängt dann einzig und allein von dem Durchtrittsquerschnitt derselben ab, d. h. über die Stellung des Kolbens 28 der zweiten Drosselmittei 22 einzig und allein von dem Vorverdichtungsdruck.

Bei Wahl der einen oder der anderen der beiden in F i g. 2 und 4 bzw. F i g. 3 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung kann man durch Änderung der geometrischen Verhältnisse der zweiten Drosselmittel 22 und des Gesetzes der auf den Schieber 28 dieser zweiten Drosselmittei 22 wirkenden Feder 29 das Steuerungsgesetz zwischen dem Durchtrittsquerschnitt S_n und dem strömungsabwärts herrschenden Druck

P - 4/Oder der Differenz zwischen diesem strömungsabwärts herrschenden Druck P — 4P und dem in der Regelkammer 30 herrschenden Gegendruck P_c wählen.

Jedem Wert des Durchtritf^querschnitts S_p entspricht ein Wert der Primärluftmenge Qp, d. h. ein Wert der in die Brennkammer einzuführenden Brennstoffmenge q, welche durch die geometrischen Verhältnisse der verändei liehen Düse bestimmt wird.

Unter Berücksichtigung des Arbeitens des Motors besteht der angestrebte Zweck darin, die Brennstoffmenge qso einzustellen, daß verhindert wird, daß in den Grenzen der Möglichkeiten der Brennkammer der Vorverdichtungsdruck unter einen eingestellten Schwellenwert absinkt, das Anlassen des Turbokompressoraggregats vor dem des Motors zu ermöglichen, und ein Arbeiten der Brennkammer im Bereitschaftszustand zu gestatten, was ermöglicht, sie ohne Gefahr eines Erlöschens schnell auf die volle Leistung zu bringen.

Man wird dann dazu geführt, eine Funktion für die der Brennkammer zuzuführende Brennstoffmenge q in Abhängigkeit des strömungsabwärts herrschenden Drucks P — AP oder der Differenz zwischen diesem strömungsabwärts herrschenden Druck P-AP von dem in der Regelkammer 30 herrschenden Gegendruck Pc zu wählen, wie es beispielshalber in dem Schaubild der F i g. 5 dargestellt ist, in welchem als Abszissen der Vorverdichtungsdruck />(in Bar ausgedrückter relativer Druck) und als Ordinaten die der Brennkammer zugeführte Brennstoffmenge qaufgetragen sind.

Bei Fehlen eines Gegendrucks (wenn der Druck in der Regelkammer 30 gleich dem Atmosphärendruck ist) verschiebt sich der Betriebspunkt der Brennkammer gemäß diesem Schaubild. Wenn dieser Betriebspunkt sich auf den Punkt K (Langsamlauf des Motors) stabilisiert, geht er nach dem Punkt Cabwärts, wenn die Belastung des Motors bis auf etwa 20% der Höchstlast zunimmt, worauf er sich jenseits dieser Belastung zwischen C und D bewegt (Brennkammer im Bereit-

schaftszustand).

Die Einführung eines Gegendrucks in die Regelkammer 30 ermöglicht die Verschiebung dieses Schaubilds zu höheren Drücken zur Erhöhung des Wertes der eingestellten Schwelle des Vorverdichtungsdrucks.

Diese einfache pneumatische Verschiebung des Regelbereichs kann ausgenutzt werden, um ein zusätzliches Moment bei niedrigen Drehzahlen zu erhalten. Ferner kann die Verschiebung des Regelbereichs ausgenutzt werden, um den Temperaturanstieg des Motors zu beschleunigen (der Motor befindet sich im Langsamlauf, wenn die Brennkammer mit Vollast arbeitet, und es sind Wärmeaustauschmittel zwischen der aus dem Kompressor kommenden heißen Luft und dem Kühlmittel des Motors vorgesehen).

Außerdem ermöglicht die Einführung eines Gegendrucks, welcher den Vorverdichtungsdruck erreichen kann, durch Verschiebung des Regelbereichs einen Ausgleich der Höhenlage vorzunehmen. Bei einer Abnahme des Atmosphärendrucks kann nämlich dem Gegendruck ein Wert gegeben werden, welcher gleich dem Vorverdichtungsdruck ist, was zur Wirkung hat, daß die zweiten Drosselmittel vollständig geöffnet werden und die Brennkammer mit voller Leistung gespeist wird (wobei die Primärluftmenge und die Brennstoffmenge ihre \ löchstwerte erreichen).

Man kann also dank der Erfindung gleichzeitig die in die Brennkammer 8 eingespritzte Brennstoffmenge und die Primärluftmenge durch Veränderung der geometrischen Verhältnisse der zweiten Drosselmittel 22 (Öffnung 27 und öffnung 28a^ und der Eichung (und gegebenenfalls der Einstellung) der Federn 29 und 50 beherrschen. Man gewährleistet so für das Luft-Brennstoffgemisch der Verbrennungszone 14 Verhältnisse, welche den erwünschten stöchiometrischen Verhältnissen genügend nachkommen, um bei allen Betriebszuständen des Motors eine gute Stabilität des Arbeitens der Brennkammer 8 zu erhalten.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmaschine, mit einer Umblaseleitung für Ladeluft in die Abgasleitung vor der Turbine und mit in der Umblaseleitung angeordneten Drosselmitteln mit stetig veränderbarem Durchtrittsquerschnitt, welche eine Druckdifferenz zwischen dem Auslaß des Kompressors und dem Einlaß der Turbine erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselmittel (108, 21, 22) im wesentlichen allein durch die Drücke, die vor und hinter der Drosselstelle herrschen, gesteuert werden, wobei die Erhöhung des Drucks hinter der Drosselstelle eine Verringerung ihres Durchtritts- |₅ querschnitts und die Erhöhung des Drucks vor der Drosselstelle eine Vergrößerung ihres Durchtrittsquerschnitts bewirkt, derart, daß sich die von den DiOsselmitteln erzeugte Druckdifferenz im gleichen Sinne wie der Druck in der Umblaseleitung (106, 7) vorder Drosselstelle ändert.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselmittel (108, 21, 22) ein bewegliches Regelorgan aufweisen, das mit Flächen verbunden ist, die von den Drücken beaufschlagt sind, welche in der Umblaseleitung (106, 7) vor bzw. hinter der Drosselstelle herrschen, wobei die wirksame Gesamtfläche, die von dem vor der Drosselstelle herrschenden Druck beaufschlagt ist, kleiner ist als die wirksame Gesamtfläche, die von dem hinter der Drosselstelle herrschenden Druck beaufschlagt ist.

3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselmittel (108) ein mit einem festen Sitz zusammenarbeitendes Drosselventil (108a oder 25) enthalten.

■i. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselventil (108a oder 25) mit einem Ausgleichskolben (108c oder 28) _,₀ verbunden ist, der von dem Druck beaufschlagt ist, welcher in der Umblaseleitung (106, 7) vor oder hinter der Drosselstelle herrscht.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Teil (Ventil 108a oder 25) der Drosselmittel, welcher durch die vor und hinter der Drosselstelle in der Umblaseleitung (106, 7) herrschenden Drücke gesteuert ist, zusätzlich unter der Wirkung von elastischen Mitteln (109 oder 108c/ oder 33) steht, welche die Drosselstelle offen halten, insbesondere wenn vor Inbetriebnahme des Abgasturboladers und der Brennkraftmaschine beiderseits der Drosselstelle gleiche Drücke herrschen.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch _S5 gekennzeichnet, daß die elastischen Mittel (109 oder 108doder 33) einstellbar sind.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Teil (Ventil 108a oder 25) der Drosselmittel, welcher durch die vor und hinter der Drosselstelle in der Umblaseleitung (106, 7) herrschenden Drücke gesteuert ist, unter der Wirkung eines Flüssigkeitsdämpfers (63) steht.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche (,₅ 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselmittel (21, 25, 26) in den sekundären Luftstrom einer durch die Umblaseleitung (7) mit Luft gespeisten Brennkammer (8) eingeschaltet sind, deren primärer Luftstrom vor den Drosselmitteln von dem sekundären Luftstrom abgezweigt ist.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein weiteres Drosselorgan Regelmitiel (24,27,28,2Ba) für die Menge der Primärluft das durch die vor oder hinter der Drosselstelle herrschenden Drücke gesteuert wird.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan für die Primärluft aus zwei mit Bezug aufeinander beweglichen und eine Durchtrittsöffnung veränderlichen Querschnitts für die Primärluft bildenden Teilen (22, 28) besteht, von denen der «ine Teil (22) mit dem beweglichen Glied (25) der Drosselmittel (21) verbunden ist und der andere Teil (28) unter der Wirkung des hinter der Drosselstelle herrschenden Drucks steht.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der unter der Wirkung des hinter der Drosselstelle herrschenden Drucks stehende Teil (28) des Drosselorgans für die Primärluft elastisch, z. B. durch eine Feder (29), gegen den anderen Teil (22) der Primärluftregelmittel abgestützt ist, welch letzterer mit dem beweglichen Glied (25) der Drosselmittel (21) verbunden ist.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (22) des Drosselorgans der Primärluft, der mit dem beweglichen Glied (25) der Drosselmittel (21) verbunden ist, aus einem mit einer seitlichen öffnung (27) versehenen Rohr besteht, in welchem ein topfartiger, nach der Brennkammer zu offener Schieber (28) verschiebbar ist, der den zweiten Teil des Drosselorgans der Primärluft darstellt und in seiner Seitenwandung mit einer mit der vorgenannten öffnung (27) zusammenwirkenden öffnung (28a) versehen ist.

13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Drosselorgan für die Primärluft ihrerseits eine Vorrichtung (23) zur Regelung der in die Brennkammer (8) eingespritzten Brennstoffmenge steuern.

14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der verstellbare Teil (38) der Vorrichtung (23) für die eingespritzte Brennstoffmenge mit demjenigen Teil (28) der Primärluftregelmittel verbunden ist, der unter dem Druck hinter der Drosselstelle sieht.

15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der verstellbare Teil (38) der Vorrichtung (23) für die eingespritzte Brennstoffmenge aus einer konischen Nadel (68 oder 68a,/ besteht, die durch eine öffnung (70 oder 70a) hindurchragt, wobei der freie Querschnitt zwischen Nadel und Öffnungsrand in an sich bekannter Weise jeweils entweder direkt die eingespritzte Brennstoffmenge oder die von der Brennstoffpumpe geförderte, aber nicht zur Einspritzung kommende Brennstoffmenge bestimmt.

16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil (28) der Primärluftregelmittel, welcher die eingespritzte Brennstoffmenge steuert, auf seiner der Brennkammer abgewandten Seite unter einen veränderlichen Gegendruck setzbar ist, der vorzugsweise ein pneumatischer Gegendruck ist.