DE2539007A1 - Mit vorverdichtung arbeitender verbrennungsmotor - Google Patents
Mit vorverdichtung arbeitender verbrennungsmotorInfo
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Description
Patentanwälte '
Dipl. Ing. H. Weickmann. Dipl. Phys. Dr. K Fincks
DipL Ing. F. A. Weickmann, Dipl. Chem. B. Huber 8 München 80, MöhlstraBe 22
DipL Ing. F. A. Weickmann, Dipl. Chem. B. Huber 8 München 80, MöhlstraBe 22
ETAT FRANCAIS Represents par le Delegue Ministeriel
pour l'Armement
14, rue Saint-Dominique, 75997 Paris Armees, Frankreich
Mit Vorverdichtung arbeitender Verbrennungsmotor·
Die Erfindung betrifft die mit Vorverdichtung gespeisten
Verbrennungsmotoren, welche außer dem eigentlichen Motor ein Turbokompressoraggregat ^i^ wenigstens einem Kompressor und
wenigstens einer den Kompressor antreibenden Turbine, eine Abzweigleitung,
welche stand dg die von dem Verdichter gelieferte
und von dem Motor nicht aufgenommene Luftmenge zu der Turbine durchlässt, und eine Hilfsbrennkammer, welche strömungsaufwärts
von der Turbine angeordnet ist und in der Abzweigleitung strömende
Luft empfängt» aufweisen·
Derartige Motoren sind in früheren Patenten des ETAT FRANCAIS beschrieben, insbesondere in der deutschen Patentanmeldung
P 23·16.Ο27·2 vom 30. März 1973»
In. einfachen Fällen kann die Ab ζ Zweigleitung des Motors
voll offen sein· Die in der obigen Patentanmeldung beschriebene ist mit Drosselinitteln mit stetig veränderlichem Durchtrittsquerschnitt
versehen, welche im wesentlichen durch die alleinige
Wirkung der strömungsaufwärts und strömungsabwärts von den Drosselmitfcöln herrschenden Drücke gesteuert werden, wobei die
Zunahme des hinter der Drosselstelle herrschenden Drucks in dem
Sinn der Verringerung des von der Drosselstelle dargebotenen Durchtrittsquerschnitts wirkt, während die Zunahme des vor der
Drosselstelle herrschenden Drucks in dem Sinn der Vergrößerung des Querschnitts wirkt, so daß sich die durch die Drosse!mittel
ORIGINAL INSPECTED
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erzeugte D3?m@kdiffer^ng gleichsinnig mit dem in der Abzweigleitung
vor der Broggelstelle herrschenden Druck ändert, was
in der Tat In aügemeiiisn zweckmässig ist.
Die.Erfindung betrifft insbesondere, wenn auch
nicht aussohLLießliek, Dieselmotoren (wobei dieser Ausdruck
Motoren be2©ictoet, in welchen die Zündung des in -jeden Zylinder
eingespritzten -Brennst off s allein durch die Temperatur
und den Druck- erzeugt wird, welche von der Luft in dem Zylinder
im Auge-nblick der Einspritzung erreicht werden), und wiederum
im besonderen, wenn auch nicht ausschließlich, Dieselmotoren
mit hohem VQrverdichtungsgrad (welcher 5 übersteigen
kann) und einem verhältnismäßig kleinem Verdichtungsverhältnis (welches kleiner als 8 sein kann)· Derartige mit starker
Vorverdichtung gespeiste Dieselmotoren, können je Arbeitsspiel
vier bis fünf Mal mehr Brennstoff verbrennen, als der gleiche Motor ohne Vorverdichtung. Die Einspritzpumpe des Motors muß
natürlich entsprechend bemessen sein· Um jedoch nicht die Temperatur
der Gase (insbesondere die Temperatur der Auspuffgase) übermäßig zu erhöhen, was die Organe des Motors schnell zerstören könnte, ist es unerlässlich, dem Motor nicht nur die
zur Verbrennung des eingespritzten Brennstoffs erforderliche
iAiftmenge zu liefern, sondern auch einen Iaiftüberschuß (welcher
150 % derselben erreichen kann), welcher die Temperatur der Gase
in den Zylindern des Motors auf einem annehmbaren Pegel halten
soll. Anders ausgedrückt, es muß verhindert werden, daß der
Gehalt (Verhältnis der eingespritzten Brennstoffmasse zu der
dem Motor zugeführten Luftmasse) einen Grenzwert übersteigt·
Bs ist bereits vorgeschlagen worden, z.B. indem
USA-Patent Nr. 3 096 615, einen mit Vorverdichtong gespeisten
Motor dadurch zu schützen, daß die je Arbeitsspiel eingespritzte
Brennst offmenge in Funktion der von dem Kompressor gelieferten Luftmenge begrenzt wird, d.h. praktisch in Funktion des
Vorverdichtungsdrucks. Hierfür ist die Vorrichtung zur Speisung mit Brennstoff mit Mitteln zur Begrenzung der Fördermenge versehen, welche im allgemeinen in dem Fall einer mechanise hen
Speisepumpe durch ein für den Vorverdichtungsdruck empfindliches
Organ zur S©gelung der Stellung des "ZahnstaDgenanschlags gebildet
werden. ■
Eine derartige Vorrichtung, welche als "passiv«
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"bezeichnet werden kann, da sie nur eine Begrenzungswirkung hat,
schützt tatsächlich den Motor, indem sie die Steigerung der eingespritzten Brennst offmenge über den lüert hinaus verhindert f
welchen der Motor unter Berücksichtigung des Drucks am Einlaß, welchen man bei einem üblichen mit Vorverdichtung gespeisten
Motor (ohne Vorwarnung der Auspuffgase vor der Zufuhr zu der Ohirbine) nicht beherrscht, ohne Gefahr zulassen kann. Bei einem
Motor mit einer Hilfsbrennkammer der durch die obige USA-Patentschrift definierten.Art entgeht man diesem Problem nur, indem
man für den praktisch konstanten Wert, auf welchem der Vorverdichtungsdruck gehalten wird, einen den ungünstigsten Betriebsbedingungen
des Motors entsprechenden Pegel wählt, welcher somit für die meisten Betriebszustände zu hoch liegt, was den
Sachteil eines übermäßigen Verbrauchs in der Hilfsbrennkammer
mit sich bringt·
Außerdem hat die Begrenzung einen schweren Nachteil für jeden mit Vorverdichtung gespeisten Motor ohne ständig
offene Abzweigleitung zur Folge· Sein Beschleunigungsvermögen
wird nämlich sehr stark in einem ungünstigen Sinn beeinflusst, da die Erhöhung der in den Motor eingespritzten Brennstoffmenge,
welche bei einer Beschleunigung erforderlich ist, durch die Begrenzungsmittel solange verzögert wird, bis der Vorverdichtungsdruck
einen gesteigerten Wert erreicht hat, welcher den Rückgang des Zahnstangenanschlags der Brennstoffeinspritzpumpe bewirkt·
Anders ausgedrückt, der Motor antwortet nur langsam auf eine Beanspruchung, welche in dem Sinn einer Erhöhung der Belastung
oder der Drehzahl gerichtet ist· Dieser Fehler ist umso ausgesprochener, je größer der Vorverdichtungsgrad bei Volllast
ist· Er wird praktisch unannehmbar bei Motoren, welche zwangsläufig sehr schnell auf eine große Drehmomentanforderung
ansprechen sollen und einen Vorverdichtungsgrad besitzen, welcher die bisher üblichen übersteigt, welche nicht 4 übersteigen.
Die Erfindung bezweckt, einen Verbrennungsmotor der obigen Art zu liefern, welcher besser als bisher den Erfordernissen
der Praxis entspricht, insbesondere dadurch, daß die obigen Nachteile wenigstens in weitem Maße vermieden sind.
Hierfür schlägt die Erfindung e inen Motor vor"; bei
•welchem die Mittel zur Regelung der der Hilfskammer von der
Speisevorrichtung derselben gelieferten Brennstoff menge, welche
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Mittel den Yorverdichtungsdruck verhindern sollen, unter einen
Sollwert herunterzugehen, ein für die je .Arbeitsspiel in den
Motor eingespritzte Brennstoffmenge empfindliches Qcgan aufweisen,
derart, daß jedem Wert dieser Brennstoffmenge ein besonderer und nur ein einziger Sollwert entspricht.
Tatsächlich wird ständig verhindert, daß das Massenverhältnis Luft/Brennstoff unter den Wert fällt, bei welchem
die von den Gasen in dem Zylinder erreichte Höchsttemperatur für den Motor unzulässig wird. Hierzu ist noch zu bemerken,
daß jeder Motor einen ihm eigentümlichen Begrenzungsfaktor besitzt, welcher je nach den Motoren die Temperatur der Auslaßventile,
des Zylinderkopfs, des Kolbens usw. ist. Die höchste in Betracht zu ziehende Wärmebelastung ist die diesem Faktor
entsprechende ·
Die Regelmittel können eine beliebige geeignete, pneumatische, elektrische oder elektronische Ausbildung haben.
Palis die Vorrichtung zur Speisung der Hilf skammer mit Brennstoff
pneumatisch gesteuert wird, ist im allgemeinen die Benutzung
einer pneumatischen Sonde zweckmässig. In anderen Fällen können zweckmässig elektronische Mittel zur Regelung der
der Hilfsbrennkammer gelieferten Brennstoffmenge benutzt werden.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf
die Zeichnung beispielshalber erläutert.
Fig. 1 ist ein Diagramm, welches die Betriebsbedingungen
-eines erfindungsgemäßen, mit Vorverdichtung und Verdichtungszündung
arbeitenden Verbrennungsmotors zeigt.
Fig. 2 ist ein Prinzipschema eines mit Vorverdichtung arbeitenden Motors mit einer Vorrichtung zur Speisung mit
Brennstoff mit einer mechanischen Pumpe und einer mechanischen Steuerung des Sollwerts.
Figo 3 ist eine Kurve, welche ein mögliches Gesetz der Änderung des Solldrucks in Funktion der je Arbeitsspiel
in den Motor eingespritzten Brennstoffmenge darstellt.
Fig. 4 ist ein genaueres Schema, welches eine Ausführungsabwandlung
der in Fig. 2 dargestellten Steuerung zeigt.
Fig. 5 ist ein Schema, welches vollständiger als Fig. 2 ist und eine Ausführungsabwandlung mit einer Vorrichtung
zur automatischen Einstellung des Druckabfalls in der Ab-
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Zweigleitung auf einen von der Strömungsmenge in dieser leitung unabhängigen Wert zeigt.
Fig· 6 ist ein !Prinzipschema einer anderen Ausführun^sabwandlung
mit elektronischer Steuerung·
Die Erfindung ist nachstehend beispielshalber in
ihrer Anise n&ung auf ein Mot or aggregat "beschrieben, Elches
einen Verbrennungsiaotor mit Verdichiamgs zündung mit verhältnismäßig
geringem Verdichtungsgrad (kleiner als 8) enthält, welcher mit einem Turbokompressor zur Speisung mit Vorverdichtung
mit einem gegenüber dem bisher üblichen Werten hohen Verdichtungsgrad
versehen ist und eine Abzweigleitung aufweist,
welche mit einer Brennkammer versehen ist, welche die gesamte Förderleistung des Kompressors, welche nicht von dem Motor aufgenommen
wird, zu der Turbine durchlassen kann. Ein derartiges Aggregat ist schematisch in Pig. 2 dargestellt. Es enthält
einen Verbrennungsmotor 10 mit seiner Einlaßleitung 11 und seiner Auslaßleitung 12, einen Turbokompressor mit dem Luftkompressor
13 und der Turbine 14, und einer Abzweigleitung 15,
in welche eine Hilfsbrennkammer 16 eingeschaltet ist. Eine mechanische
Pumpe 17 mit Steuerung durch einen von dem Motor angetriebenen
Nocken spritzt ge Arbeitsspiel des Motors in jeden Zylinder eine durch die Stellung der Zahnstange 18 bestimmte
Brennstoffmasse ein. Nachstehend ist angenommen, daß eine Verschiebung der Zahnstange nach rechts einer Vergrößerung der
eingespritzten Brennstoffmasse entspricht. Schließlich enthält das Aggregat in der Abzweigleitung 15 Drosselmittel 19» welche
automatisch den Druckabfall auf einen von der Strömungsmenge
in der Leitung 15 unabhängigen Ufert einstellen, welcher eine, zweckmässig praktisch lineare, wachsende Punktion des Vorverdichtungsdrucks ist·
Das ßetriebsdiagramm eines derartigen Aggregats ist schematisch in Pig· 1 dargestellt, in welchem die Leistung
W an der Motorwelle als Ordinaten und die Drehzahl des Motors 10 als Abszissen aufgetragen sind. Infolgedessen sind die Betriebskurven
bei konstanter Drehzahl (d.ho bei der durch den Regler gegebenen Einstellung in dem Pail eines üblichen Dieselmotors)
zu der Ordinatenachse parallele Gerade, während die Betrieb skurven bei konstantem Moment durch den Ursprung gehende
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Gerade sind·
"Der mögliche Betriebsbereich eines Dieselmotors
wird einerseits durch Paktoren der mechanischen oder thermischen Widerstandsfähigkeit, und andererseits durch Bedingungen
für das wirkliche Arbeiten, d.h. die Verdichtungszündung, begrenzt.
Die entsprechenden Grenzen sind in Fig. 1 durch vollausgezogene Kurven dargestellt, welche verschiedene erfindungsgemäße
Betriebsbereiche trennen.
Das grosste Moment, welches der Motor liefern
kann, wird durch den höchsten, in den Zylindern zulässigen Druck begrenzt. Wenn angenommen wird, was in erster Annäherung
zutrifft, daß dieses Moment von der Drehzahl unabhängig ist, wird die entsprechendö Grenze durch die durch den Ursprung gehende
Gerade ,6 dargestellt. Wie jedoch weiter unten ausgeführt, ist es, wenn der Wirkungsgrad des Turbokompressors genügend
groß ist, möglich, einen Teil der Auspuffgase ins Freie abzuführen (weiter unten mit III bezeichneter Bereich), und man
kann das Moment noch vergrössern und trotzdem in den zulässigen
Druckgrenze;n bleiben,.
Die Wärmebelastung an der kritischen Stelle des
Motors (Temperatur am Auslaß, am Zylinderkopf oder am Kolben) darf nicht einen einer schnellen Zerstörung entsprechenden Wert
erreichen. Die entsprechende Grenze ist in Form einer angenähert
geraden. Kurve 7 dargestellt, welche eine Auslaßtemperatur von 600° C darstellt, welche man als für die gegenwärtigen
Motoren charakteristisch ansehen kann.
Die Drehzahl des Motors ist begrenzt. Unter der Annahme, daß die Grenzdrehzahl von dem Moment unabhängig ist,
wird sie durch eine zu, der Ordinatenachse parallele Gerade 8 z.B. für 2500 π/mn dargestellt.
: Der Motor muß arbeiten können, d.h. die Selbstzündung
muß stattfinden, wenn die Hilfsbrennkammer abgestellt
ist, was der Grenzkurve 9 entspricht.
In Fig. 1 sind noch als Hinweis gestrichelte Kurven angegeben, welche verschiedenen Auslaßtemperaturen (400 C
und 500° C) und verschiedenen Vorverdichtungsdrücken entsprechen.
Die Kurve 8 stellt offenbar eine absolute Be trieb sgrenze
dar. Der Bereich ABDF oder Bereich I, welcher innerhalb der Kurven 6, 7, 8 und 9 liegt, entspricht einem Betrieb
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ohne merkliche Wirkung der Brennkammer (welche erloschen ist
oder sich im Bereitschaftsbetrieb befindet)· Der Bereich ODFG
oder Bereich II entspricht dem Eingreifen der Vorwärmmittel, um in an sich bekannter Weise zu verhindern, daß der Vorverdichtungsdruck
Ps unter einen Sollwert heruntergeht, was bedeutet, daß diese Mittel die Speisung der Kammer 16 erhöhen,
wenn die Leistung des Motors 10 abnimmt. Um in dem Bereich ABG
oder Bereich IV zu arbeiten, muß ein Bruchteil der der Turbine zuströmenden Gase ins Freie abgeführt werden, um den Vorverdichtungsdruck
auf einen solchen Pegel zu begrenzen, daß der höchste Brenn st off druck in den Zylindern annehmbar bleibt.
Schließlich ist in dem Bereich OBD oder Bereich III das Arbeiten nur durch Anwendung der Erfindung möglich. In diesem
Bereich muß nämlich verhindert werden, daß die Auslaßtemperatur
den zulässigen Wert übersteigt, indem der Sollwert so angehoben wird, daß der Grenzgehalt in don Zylindern eingehalten
wird. Der Sollwert muß so beschaffen sein, daß der Vorverdichtungsdruck (und somit die von dem Verbrennungsmotor aufgenommene
Luftmenge) einen genügenden Pegel haben, um die Auslaßtemperatur auf einen annehmbaren, der Linie DB in Fig. 1
entsp zechende η Wert zurückzuführen·
Wenn man jetzt annimmt, daß das Arbeiten mit konstantem
Moment einer konstanten je Arbeitsspiel eingespritzten
Brennstoffmenge entspricht (was nur in erster Annäherung zutrifft, da die Motordrehzahl einen Einfluß hat) entspricht ein.
Arbeiten mit konstantem Moment, wie es in Fig. 1 durch die
strichpunktierte Linie OH dargestellt ist, einer je Arbeitsspiel
eingespritzten konstanten Brennstoffmenge. Wenn die Motordrehzahl bei konstantem Moment von der dem Punkt H entsprechenden
grössten Drehzahl aus abnimmt, nimmt auch der Ausgangsdruck des Kompressors ab, welcher dann nur,oder fast ausschließlich,
von der Energie der Auspuffgase des Dieselmotors herrührt, während die Auslaßtemperatur steigt, wie dies die
Lage der Linie OH gegenüber den Kurven für konstante Auslaßteßiperatur
anzeigt· Diese Änderung erklärt sich aus der Tatsache, daß das Verhältnis des in den Zylindern verbrannten
Luft-Brennstoffgemischs zunjbnmt, da'die eingespritzte Brennstoffmenge
konstant; bleibt, während die zugeführte Luftmasse
mit dem Vorverdichtungsdruck Ps abnimmt. Die Erfindung be-
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zv;eckt, die Hilfsbrennkammer 19 (welche bis dahin erloschen
war oder im Bereitschaftsbetrieb arbeitete) in Tätigkeit treten
zu lassen, sobald der Punkt J erreicht wird, welcher der höchsten zulässigen Auslaßtemperatur entspricht, um zu verhindern,
daß der Torverdichtungsdruck weiter· absinkt, und somit zu verhinderst, daß die Temperatur den so erreichten Pegel übersteigt·
Anders ausgedrückt, die erfindungsgemäße Vorrichtung
gleicht die allmähliche Abnahme der von den Auspuffgasen des Motors der Turbine gelieferten Energie dadurch aus, daß sie
die von der Hilfsbrennkammer 19 gelieferte Wärme erhöht, Jedoch in gerade ausreichender und somit -wirtschaftlichster Weise.
Der Ausdruck "Sollwert" bezeichnet so den eingestellten
Wert ("set value" in der angelsächsischen Fachsprache), auf welchem das Eingreifen des Reglers den Vorverdichtungsdruck
in dem Bereich III hält, Außerhalb dieses Bereichs, insbesondere- in dem Bereich I, in welchem der Vorverdichtungsdruck
größer als der eingestellte Wert ist, während die Brennstoff
lief ©rung an die Hilfsbrennkammer bereits am kleinsten ist (da die Kammer abgestellt ist oder sich im Bereitschaftszustand
befindet), greift der Regler nicht ein·
Unter der Annahme, daß die je Arbeitsspiel eingespritzte
Brennstoffmenge für das Drehmoment kennzeichnend ist, können offenbar das Eingreifen der Brennkammer und ihre Speisung
mit einer geeigneten Brennstoffmenge bequem dadurch sichergestellt werden, daß der Sollwert des Vorverdichtungsdrucks
durch die Stellung des die je Arbeitsspiel eingespritzte Brennstoffmenge
bestimmenden Organs gesteuert wird·
Es ist noch zu bemerken, daß bei Übergang aus dem Betriebsbereich I zu dem Bereich II die Erfindung in keiner
Weise das Eingreifen der Brennkammer stört, falls das Arbeiten
mit konstantem Moment der Linie OK entspricht. Die Hilfsbrennkammer
muß dann eingreifen, um den Vorverdichtungsdruck
auf einem Schwellenwert oder kleinsten Wert zu halten, ve Icher
jetzt so bestimmt wird, daß tatsächlich eine Verdichtungszündung auftritt, wie in der deutschen Patentanmeldung P 21α20.687·
1 vom 27.4 ·1971 des ETAT FRANOAIS angegeben·
Anders ausgedrückt, die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist so ausgebildet, daß sie den Sollwert Pgn des Vorverdichtungsdruöks
in Funktion der de Arbeitsspiel eingegpritz-
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Brennst off masse Qja gemäß einem Gesetz der in !ig· 3 dargestellten
Art verändert. Wie man sieht, weist diese Kurve
mehrere deutlich verschiedene Abschnitte auf·
Der. Abschnitt IM entspricht dem Arbeiten des »it Vorverdichtung gespeisten Aggregats in dem Bereich II der
Fig« Ή Die Brennkammer wird dann so gespeist, daß sie den
Druck Ps auf einem festen Wert hält, welcher das Arbeiten als Dieselmotor unter· den für diesen ungünstigsten Bedingungen
sicherstellt· · .
Der Abschnitt MP entspricht dem Arbeiten in den
Bereichen I und III» Ih diesen Bereichen muß der kleinste Vorverdichtungsdruck (d«h· der Sollwert) gleichmässig als wachsende
Funktion von Qgi zunehmen· Bei einem gegebenen Wert von Qg
kann sich der Betriebspunkt in der Zone zwischen J und H der Fig· 1 befinden, wobei dann die Auspuffgase des Motors genügen,
um diese Bedingung zu erfüllen· Ep kann auch in dem Bereich
III (zwischen O und J der fig· 1) liegen, wobei dann die Brennstoffmenge
der Brennkammer über die Brennstoffmenge für den Bereitschaftsbetrieb hinaus erhöht wird, um die von dem Motor
gelieferte Energie zu vervollständigen, und zwar umsomehr, je
weiter man sich von dem Bereich I entfernt·
Schließlich entspricht der Abschnitt PR dem Bereich IV, in welchem der Wirkungsgrad des Surbokompressors abnimmt,
da man den Vorverdichtungsdruck durch Auslaß ins Freie unter dem Wert hält, welchen er normalerweise hätte· Dagegenkann
man hierdurch die Betriebszone des Motors ohne Inbetriebnahme der Hilfskammer verbreitern.
Fig· 2, 4, 5 und 6 zeigen verschiedene Ausübungsformen der oben definierten Erfindung·
Das schematisch in Fig. 2 dargestellte Aggregat
enthält pneumatische Regeiaittel· Diese Ausführungsform hat
den Vorteil, daß sie besaiders einfach ist, sich gut in ein
Aggregat einfügt, dessen Verbrennungsmotor durch eine mechanische Pumpe gespeist wird, welche je Arbeitsspiel eine Masse
liefert, welche durch die Verschiebung eines beweglichen Organs geregelt wird, welches bei dem dargestellten Fall durch
die Zahnstange 18 gebildet wird, und ohne bedeutende Steuer- · kräfte zu erfordern, angewandt werden kann· Diese Regelmittel
enthalten an der leitung 20 zur Speisung der Kammer 16 mit
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-ιό- ■ 2139007
Brennstoff ur$er Druck durch eine Pumpe 21 einen Durchlaß
mit einem durch die Verschiebung eines Körnerventils 23 regelbaren
Querschnitt, Das Körnerventil 23 ist mit einem Kolben
24 vex^bundenf welcher zwei Kammern in einem Zylinder 25
trennt, in sichern er gleitet. Die» erste Kammer, 26, steht
unter dem durch einen Kanal 27 augeführten Vorverdichtungsdruck.
In der zweiten Kammer, 28, herrscht ein Druck, welcher
eine Funktion der Stellung der Zähnstange 18 ist· Dieser Druck
wird ζ·Β. durch das■Verhältnis zwischen den Druckabfällen
festgelegt, welche durch eine Kalibrierdüse 29 und durch
einen Durchlaß 30 erzeugt'werden, dessen Querschnitt durch ein
von der Zahnstange angetriebenes Körnerventil 31 mit einem geeigneten
Profil geregelt wird. Die Kalibrierdüse 29 und der Durchlaß 30 sind auf einem von dem Kanal 25 ausgehenden, ins
Freie führenden Leckweg an@2ordnet>und der sich zwischen
ihnen ausbildende Druck wird durch e inen Kanal 32 auf die Kammer 28 übertragen. Eine Rückholfeder 33 ermöglicht, das Gesetz
der Veränderung der Vorverdichtungsströmungsmenge in Funktion
der Stellung der Zahnstange einzustellen. Der Hub und die Form
der Körnerventile 23 und 31 sowie die Steifigkeit der Feder können insbesondere so vorgesehen werden, daß man ein Gesetz
der in Fig. 3 dargestellten irt erhalt.
Man sieht, daß das Körnerventil 31 durch seine Bewegungen das Körnerventil 23 steuert und so eine Steuerung
der der Hilfsbrennkammer 16 gelieferten Strömungsmenge verwirklicht,
ohne eine hohe Betätigungskraft zu erfordern. Diese Eigenschaft, welche allen Steuervorrichtungen mit einem Übertrager
gemeinsam ist, welcher einen in Funktion der Stellung eines Organs veränderlichen Druckabfall liefert, ist in dem
vorliegenden Fall besonders wichtig, da die Zahnstangen,wenigstens
der Motoren kleiner und mittlerer Leistung, keine großen Kräfte aushalten können.
Da die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung aus der obigen Beschreibung hervorgeht, braucht
auf diese nicht mehr im einzelnen eingegangen zu werden. Es kann jedoch zweckmässig sein, kurz zu definieren, wie die erfindungsgemäßen Mittel bei einer plötzlichen Beschleunigung
eingreifen. Es sei angenommen, daß der Motor ursprünglich mit
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geringer Belastung und kleiner Drehzahl arbeitet. Der von der Bedienungsperson betätigte Drehzahlregler hält dann einen
(nicht dargestellten) Zehn Stangenanschlag in einer Stellung, in
welcher die je Arbeitsspiel eingespritzte Brennstoffmenge von
der grössten Menge entfernt ist. Wenn die Bedienungsperson die Drehzahl steigern will, verstellt sie den Regler, und dieser
bringt die Zahnstange in dem Sinn der Zunahme der Brennstoffmenge
(nach rechts in Fig· 2) zum Anschlagen. Die Zahnstange drückt dann das Körnerventil 31 entgegen der Wirkung seiner
Rückholfeder 34 nach rechts zurück· Der Druck nimmt in der Kammer 28 zu, und das Körnerventil 22 geht aufwärts und vergrössert
den Durchtrittsquerschnitt des Brennstoffs zu der Kammer 16 und die Strömungsmenge. Der lurbokompressor läuft dann sehr
schnell hoch und erhöht den Vorverdichtungsdruck bis auf den zur Vermeidung der Überhitzung des Motors erforderlichen Wert·
Falls ein pneumatisch gesteuerter Anschlag vorgesehen ist (z.B. der in dem Artikel "Increased rating of diesels" in
Journal of Science and Technology, Band 38, Nr. 3, Seite 108, 1971 beschriebenen Art), ermöglicht diß Erhöhung des Vorverdichtungsdrucks, diesen Anschlag zurückzudrücken. Nach Maßgabe
der Zunahme dieses Vorverdichtungsdrucks nimmt der auf den Kolben 24 wirkende Differentialdruck ebenfalls zu und sucht den
Durchtritt für den Brennstoff zu verringern·
Wenn die eingestellte Drehzahl erreicht ist,
kehrt die Zahnstange in eine einem neuen Sollwert des Vorverdichtungsdrucks entsprechende Stellung zurück, und die Strömungsmenge
zur Speisung des Brenners der Kammer 16 nimmt automatisch ab, bis der Vorverdichtungsdruck auf seinen Sollwert
zurückgekehrt ist.
Nebenbei sei bemerkt, daß,da die Turbokompressoren eine geringe Trägheit haben, ihr Hochfahren äusserst schnell
erfolgt, so daß der Motor höchstens während einiger Arbeitsspiele mit einer eingespritzten Brennstoffmenge arbeitet, welche
die mit dem vorhandenen Vorverdichtiingsdruck ■vertu'ägliche iibea*-
steigt. Es ist übrigens zu bemerken, daß die etwaigen unverbrannten
Gase aus der Auspuffleitung. 12 in die Brennkammer gelangen,
wo ihre Verbrennung noch das Hochfahren des Kompressors 14 beschleunigt. Wenn es in gewissen Fällen erforderlich ist,
daß der erforderliche Vorverdichtungsdruck vor der Erhöhung der
609813/0303
de Arbeitsspiel in den Motor eingespritzten Brennstoffmenge hergestellt
wird, genügt es, das Körnerventil 31 anstatt durch die Zahnstange durch das Organ zur Steuerung derselben zu betätigen,
indem man einen Dämpfertopf zwischen dieses Steuerorgan
und die Zahnstange einschaltet·
Anstatt die in Fig. 2 dargestellte Anordnung zu benutzen, kann man natürlich die entgegengesetzte, in Fig· 4
dargestellte Anordnung verwenden, in welcher die den Teilen der
Fig· 2 entsprechenden Teile das gleiche Bezugszeichen mit dem Index a tragen. Bei der Ausführungsform der Fig. 4 ist es der
Gegendruck, welcher unmittelbar moduliert wird, währeτή, die
andere Seife des Kolbens unter der Wirkung der Rückholfeder 33a und eines geringen konstanten Drucks (z.B. des Atmosphärendrucks)
steht.
Anstelle von Kolben kann man natürlich andere bewegliche oder verformbare Organe benutzen, z.B. Membrane·
Es können zusätzliche Mittel zur Berichtigung in Abhängigkeit von anderen Parametern hinzugefügt werden, z.B. in Form von
zu dem Durchlaß 30 ia. Fig. 2 parallel geschalteten regelbaren
öffnungen» Is können z.B. kinematische Berichtigungen vorgenommen
werden. Ferner kann man den Körnerventilen ein solches Profil geben, daß der Abschnitt MP der Kurve der Fig. 3 nicht
geradlinig ist.
Der in Fig. 2 dargestellte Motor weist an der Abzweigleitung 15 Drosselmittel auf, welche die in der bereits
genannten deutschen Patentanmeldung P 23·16.027·2 definierte
Bauart haben können und durch ein nicht dargestelltes System
im wesentlichen durch die alleinige Wirkung der strömungsauf wärts und strömungsabwärts herrschenden Drücke gesteuert werden,
wobei die Zunahme des hinter der Drosselstelle herrschenden Drucks in dem Sinn der Verringerung des Durchtrittsquerschnitts
der Drosselstelle und die Zunahme des vor derselben herrschenden Drucks in dem Sinn der Zunahme des Durchtrittsquerschnitts
wirkt, derart, daß die Differenz der erzeugten Drücke sich gleichsinnig wie der in der Leitung 15 vor der
Drosselstelle herrschende Druck ändert, bekanntlich ermöglicht
das Vorhandensein dieser Drosselstelle, welche einen Druckabfall liefert, welcher von der sie durchströmenden Strömungsmenge
unabhängig ist und somit den Druckabfall zwischen dem
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Kompressor und der Turbine von der Motordrehzahl (welche das
Verhältnis zwischen der Förderleistung des Kompressors und der
die Abzxreigleitung durchströmenden Strömungsmenge bestimmt)
unabhängig macht, insbesondere das Pendeln des Turbokompressors zu vermeiden, indem sie jederzeit eine befriedigende Anpassung
des Drucks an die Strömungsmenge bewirkt· Hierdurch wird die Pendelgefahr selbst bei der durch die Erfindung ermöglichten
schnellen Änderung des Betriebszustands verhindert.
Bei der in Fig· 5 dargestellten Ausführungsabwandlung der Erfindung haben die Drosselmittel mit veränderlichem.
Durchtrittsquerschnitt die in Fig. 2 der bereits genannten Patentanmeldung dargestellte Ausbildung·
Da eine vollständige Beschreibung dieser Mittel in der betreffenden Patentanmeldung gegeben ist, braucht hier nur
daran erinnert zu werden, daß sie Drosselmittel 121, 125 und 126 aufweisen, welche in den Sekundär luftstrom der Hilfsbrennkammer
116 eingeschaltet sind, welche mit Luft durch/Abzweigleitung
115 gespeist wird, und deren Primärluftstrom von dem
Sekundär luft strom vor den Dr ο sse !mitteln getrennt ist· Die
Primär luftmenge wird gleichzeitig mit der der Kammer 116 gelieferten
Brennstoffmenge nicht durch den Vorverdichtungsdruck und einen festen Gegendruck gesteuert, sondern durch die obigen
Regelmittel.
Im einzelnen findet man in Fig· 5 Teile wieder, welche
Teilen der Fig. 1 entsprechen und das gleiche Bezugszeichen
mit dem Index b tragen. Es ist jedoch zu bemerken, daß der Einspritzer der Kammer 16b die Bückflußbauart aufweist, wobei
die Regelmittel nicht auf die dem Einspritzer von der Pumpe 21b zugeführte Strömungsmenge einwirken, sondern auf die zu dem
Brennstoffbehälter zurückfliessende Strömungsmenge. Es ist
ferner zu bemerken, daß der Gegendruck unter Ausgang von dem hinter einem Luftkühler 4öb abgenommenen Vorverdichtungsdruck
geregelt wird. Hierdurch wird vermieden, daß die Bestandteile der Regelmittel der Wirkung der aus dem Kompressor 13b mit
hoher Temperatur austretenden Luft ausgesetzt werden. Da der Druckabfall beim Durchströmen des Kühlers 4-öb sehr gering ist
(im allgeneinen 1 bis 2 %), beeinträchtigt er das Arbeiten der
Regelung in keiner Weise.
Die schemaitsch in Fig. 6 dargestellten Rege3mittel
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sind elektrisch· Es kann der Homogenität wegen zw3ckmässig
sein, diese Lösung zu benützen, wenn die Vorrichtung zur Speisung
des Motors und/oder der Hilfskammer mit Brennstoff elektronisch
gesteuert wird. Die elektrischen Regelmittel ermöglichen ferner, leicht einen zusätzlichen Berichtigungsparameter
zur Einwirkung zu bringen, ζ·Β. die Motordrehzahl, so daß man nicht mehr nur über eine einzige Kurve der in Fig. 3 dargestellten
Art verfügt, sondern über eine Kurve, welche sich in Punktion der Hotordrehzahl verschiebt oder verformt·
Die sehr vereinfacht in Fig. 6 dargestellten Rege
!mittel entsprechen dem Fall einer Speisung des Motors durch eine Pumpe mit Zahnstange· Sie enthalten ein Detektornetz,
welches durch eine Wheatstonesehe Brücke gebildet wird, deren
einer Zweig einen für den Vorverdichtungsdruck Ps empfindlichen Widerstand 41 enthält, während ein Nachbarzweig einen den
Sollvorverdichtungsdruck darstellenden Widerstand 42 enthält·
Wenn angenommen wird, daß dieser Sollwert zu der ge Arbeitsspiel
durchdjüe Pumpe eingespritzten Brennst off masse proportional
sein soll, braucht nur der Schieber des Widerstands 42 mit der Zahnstange der Pumpe unmittelbar über einen Nocken gekuppelt
zu werden.
Die Enden der Diagonalen der Brücke sind durch Widerstände 4J und 44 mit den Eingängen eines Differentialverstärkers
45 verbunden, welcher somit eine Ausgangsspannung liefert, welche zu der Spannung der Abweichung von dem Gleichgewichtszustand
der Brücke proportional ist, d.h. zu der Differenz zwischen dem (dem Wert des Widerstands 42 entsprechenden)
eingestellten Wert und dem (dem Wert des !Widerstands 41,
welcher durch eine Beanspruchungssonde gebildet werden kann, entsprechenden) wirklichen Wert des Vorverdichtungsdrucks.
Die das Fehl er signal darstellende Ausgangsgröße des Differentialverstärkers 45 wird an einen Spannungserzeuger
46 angelegt, welcher eine genügende Dynamik hat. Die Ausgangsgrösse
47 beaufschlagt einen Spannungs-Freguenzwandler 4θ, welcher
dem Motor 49 einer volumetrischen Pumpe 50 einen elektrischen
Strom konstanter Stärke mit einer Frequenz N liefert, welche sich gemäß einem Gesetz folgender Form ändert:
S ss H0 + ocY. (worin V die Spannung ist)
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Die volumetrische Pumpe liefert so eine zu der Frequenz proportionale
Strömungsmenge, welche sich zwischen einem dem Arbeiten der Kammer im Bereitschaftszustand (wenn die Frequenz Nn
ist) entsprechenden kleinsten Wert und einem den ungünstigsten Bedingungen entsprechenden grössten Wert ändert·
Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist ohne ■weiteres
klar: wenn sich die Zahnstange der Pumpe in einer Stellung befindet j für welche der Vorverdichtungsdruck ungenügend ist,
erhöht die an den Generator 46 angelegte Fähler spannung die Ausgangsspannung
desselben und erzeugt so eine Zunahme der von der Pumpe 50 gelieferten Strömungsmenge, bis der Vorverdichtungsdruck
den Sollwert erreicht und die Brücke wieder ins Gleichgewicht bringt. Umgekehrt, wenn der Vorverdichtungsdruck grosser
als der Sollwert wird, empfängt der Spannungserzeuger ein gegensinnigee Fehls?signal bis seine Ausgangsspannung auf einen
Wert zurückgekehrt ist, für welchen die Förderleistung der Pumpe gerade ausreichend ist, um den Vorverdichtungsdruck gleich
dem Sollwert zu machen, außer wenn, wenn die Hilfsbrennkammer
bereits in den Bereitschaftszustand zurückgekehrt ist, der Vorverdichtungsdruck
noch größer als der Sollwert ist·
Unabhängig von der gewählten Ausführungsform sieht
man, daß die Ausbildung und die Aufgabe derselben ganz verschieden
von denen der bisherigen Schutzvorrichtungen für mit Vorverdichtung gespeiste Dieselmotoren mit Hilfsbrennkammer sind·
Ihr wesentlicher Teil ist nicht mehr ein Anschlag (wobei dieser
Ausdruck in einem allgeiaeinen Sinn benutzt ist), welcher
die dem Motor je Arbeitsspiel in Funktion des verfügbaren Vorverdichtungsdrucks
gelieferte Brennstoffmasse begrenzt· Sie
kann im Gegenteil als ein System zur erzwungenen Vergrößerung
der Vorverdichtung durch Anwendung der Hilfskammer bei einer
Zunahme der (das dem Motor abverlangte Drehmoment darstellenden) dem Motor je Arbeitsspiel gelieferten Brennst offmas se angesehen
werden, wobei das System nur eingreift, wenn dies erforderlich ist, und nur in dem erforderlichen Maße. Man entgeht so vollständig
der bisher vorhandenen Alternative, entweder einen niedrigsten Wert des Vorverdichtungsdrucks zu wählen, wodurch man
gezwungen wird, auf einen Teil des durch die Erfindung ermöglichten
Betriebsbereichs (Zone III der Fig. 1) zu verzichten, oder einen hohen niedrigsten Wert zu wählen, was zu einem über-
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mäßigen Verbrauch der Hilf store nnkamnier und einem erheblichen
Wirkungsgradverlust führt·
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Claims (1)
- PATENTANSPRÜCHEMit Vorverdichtung gespeister Verbrennungsmotor mit einem Turbokompressoraggregat mit wenigstens einem Kompressor und -wenigstens einer den Kompressor antreibenden Turbine, einer Äbzvßigleitung, welche ständig die ganze von dem Motor nicht auf genommene, von dem Kompressor gelieferte Eaftmenge zu der Turbine durchlassen kann, einer Hilf sbrennkammer, welche vor der Turbine angeordnet ist und in der Abzweigleitung strömende Iiuft empfängt, und einer Vorrichtung zur Speisung der Brennkammer mit Brennstoff mit Mitteln zur Regelung der der Hilfskammer gelieferten Brennstoffmenge, we lche ein Absinken des Vorverdißhtungsdrucks unter einen Sollwert verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß diese Regelmittel ein für die je Arbeitsspiel in den Motor eingespritzte Brennstoffmenge empfindliches Organ (31) enthalten, wobei die Ausbildung so getroffenist, daß jedem Wert dieser Brennstoffmenge ein besonderer Sollwert entspricht·2· Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für jede je Arbeitsspiel eingespritzte Brennstoffmenge so gewählt ist, daß die vVärmebelastung des Motors praktisch gleich dem zulässigen Höchstwert ist·3· Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme be lastung durch die Auspuff temperatur des Motors dargestellt wird·4· Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» gekonnzeichnet durch Mittel (17) zur Einspritzung von Brennstoff, welche je Arbeitsspiel eine Brennstoffmenge liefern, welche durch die Stellung eines mechanischen Organs (18) gesteuert wird, wobei das für die eingespritzte Brennstoffmenge empfindliche Organ (31) durch die Stellung dieses mechanischen Organs (18) oder die Stellung von dieses steuernden Mitteln gesteuert wird·5· Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Regelung der der Hilfskammer gelieferten Brennstoffmenge ein Drosselorgan (22, 23) umfassen, welches von wenigstens einem Teil des von einer· Brennst off quelle (21) unter Druck gelieferten Brennstoffs durchströmt wird und mit einem Steuerorgan (24) verbunden ist, des-609813/0303sen Stellung iron dem Vorverdichtungsdruek und der je Arbeitsspiel in den Motor eingespritzten Brennstoffmenge abhängt·6. Motor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (23) mit einem Kolben (24) oder einer Membran verbunden ist, welche auf einer Seite dem Vorverdichtungsdruck, welcher in einem Sinn wirkt, welcher die in die Kammer eingospritzte Strömungsmenge zu verringern sucht, und auf der entgegengesetzten Seite einem pneumatischen Gegendruck ausgesetzt sind, welcher eine wachsende Funktion der je Arbeitsspiel in den Motor eingespritzten Brennstoffmenge und des Vorverdichtungsdrucks ist.7· Motor nach Anspruch. 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (23a) mit einem Kolben (24a) oder einer Membran verbunden ist, welche auf einer Seite einem geringen konstanten Druck, ζ·Β· dem Atmosphärendruck, welcher· in einem Sinn wirkt, welcher die in die Hilfskammer eingespritzte Brennstoffmenge zu verringern sucht, und auf der entgegengesetzten Seite einem pneumatischen Gegendruck ausgesetzt sind, welcher eine wachsende Funktion der je Arbeitsspiel in den Motor eingespritzten Brennstoffmenge und eine abnehmende Funktion des Vorverdichtungsdrucks ist.8. Motor nach Anspruch 6 oder 7> dadurch gekennzeichnet, daß der Gegendruck an einem Kanal (27)» welcher von einem Punkt des den Kompressor (13) mit der !Turbine (14) verbindenden Strömungskraises aus gespeist wird, über eine Kalibrierdüse (29) entnommen wird, wobei dieser Kanal mit dem Außenraum durch eine Öffnung (30) verbunden ist, welche mit Mitteln zur Regelung ihres Querschnitts versehen ist, deren Stellung durch das Organ (18) zur Regelung der je Arbeitsspiel in den Motor eingespritzten Brennstoffmenge gesteuex't wird·9· Motor nach Ansprich 8 mit einem zwischen dem· Kompressor und dem Motor angeordneten Luftkühler (40)', dadurch gekennzeichnet, daß der Entnabmekanal (27) von einem vor dem Kühler liegenden Punkt des Strömungskreises aus gespeist wird.10. Motor nach Anspruch 4 oder einem Unteranspruch zu Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das empfindliche Organ (31) durch einen übertrager gebildet wird, welcher' an einem ihn durchströmenden Strömungsmittelstrom einen Druck-6 09813/0303abfall erzeugt, welcher eine Funktion der Stellung des mechanischen Organs (18) ist·11· Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Regelung der der Kammer gelieferten Brennstoffmenge ein elektrisch gesteuertes Regelorgan (49, 50) und eine Steuerschaltung (45, 46, 48) enthalten, welche für die Differenz der elektrischen Signale empfindlich ist, welche von zwei Sonden (42, 41) geliefert werden, von denen
die eine für die Oe Arbeitsspiel in den Motor eingespritzte
Brennstoffmenge und die andere für den Vorverdichtungsdruck des Motors empfindlich ist·6098 Ί 3/0303
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