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Ko lb e nbrentll{raf tmas chine
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Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine, insbesondere
Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit einem Verdichter und Turbine umfassenden Abgasturbolader.
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Bei bekannten aufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschinen der vorgenannten
Art ist die Abgasmenge und Abgas energie irn Leerlauf- und insbesondere auch noch
im unteren Teillastbereich bei niedrigen Drehzahlen zu gering, ura die Turbine mit
einer Drehzahl zu betreiben, die nahe deren Leistungspunkt liegt.
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Die Folge davon ist, daß sich eine Leistungs- und Drelulomentenanhebung
bei bekannten derartigen Lösungen über die Aufladung erst bei höheren Drehzahlen
erreichen läßt, womit insbesondere bei Otto-Brennkraftmaschinen in bezug auf den
Drehmomentenverlauf über der Drehzahl eine Charakteristik erreicht wird, die den
an sich angetrebten, iiber dor Drehzahl möglichst gleichmäßigen Drehmomentenverlauf
gerade nicht aufweist. In entsprechender .foiso läßt sich ein plötzliches
Anlieben
der Motorleistung ausgehend von niedrigen Drehzahlen im unteren Teillastbereich
bei diesen bekannten Lösungen auch nicht erreichen, da die Turbine erst hochgefahren
werden muß.
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Demgegenüber soll durch die Erfindung ein Weg aufgezeigt werden, wie
für eine mit einem Abgasturbolader aufgeladene Kolbenbrennkraftmaschine eine Drehmomenten-
und Leistungscharakteristik zu erreichen ist, die den vorgeschilderten Anforderungen
besser gerecht wird.
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Gomäß der Erfindung wird dies bei einer Kolbenbrennkraftmaschine der
eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß im unteren Teillastbereioh zumindest
bei niedrigen Drehzahlen der Verdichter auf die Turbine fördert und zumindest ein
Teil der Brenngase der Maschine bereits im frühen Expansionstakt aus dem Brennraum
abgezweigt und auf die Turbine geführt wird.
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Durch eine derartige Ausgestaltung kann der ßesohickungsgrad der Turbine,
also die Zufilrmenge zur Turbine, auf einem Niveau gehalten werden, das es ermöglicht,
die Turbine auch im Leerlauf und niedrigen Teillastbetrieb der Maschine zumindest
nahe ihrem Leistungspunkt zu fahren und auch in diesen Betriebsbereichen die Verluste
von Verdichter und Turbine mit der Gasleistung abzudecken.
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In Ausgestaltung der Erfindung erweist es sich als zweckmäßig, wenn
bei einer Kolbenbrennkraftmaschine, bei der jedem Zylinder wenigstens ein den Einlaß
und den Auslaß steuerndes Gaswechselsteuerelement zugeordnet ist, ein zusåtzliches,
in seiner Steuerzeit gegenüber dem Auslaß-Gaswechselsteuerelement gegen früh verstellbares
Vorauslaßsteuerelement vorgesehen wird. Als Gaswechselsteuerelemente, und zwar insbesondere
auch
als Vorauslaß-Steuerelement können dabei mit Vorteil Ventile vorgesehen sein.
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Im Hinblick auf die angestrebte Leistungscharakteristik, bzw. im Hinblick
auf die notwendige Anhebung der Turbinendrehzahl im Leerlauf und im unteren Teillastbereich
der Maschine bei niedrigen Drehzahlen erweist es sich als zweckmäßig, wenn das als
Vorauslaß-Gaswechselsteuerelement vorgesehene Vorauslaßventil in seiner Steuerzeit
in Abhängigkeit vom Lastzustand der Maschine verstellbar ist. In bekannter Weise
und mit vergleichsweise geringem Aufwand läßt sich dies dadurch erreichen, daß das
Vorauslaßventil über einen i seinem Lagerpunkt verstellbaren Schwinghebel beaufsohlagbar
ist, dem eine Beaufschlagungsschräge für ein Betätigungsglied zugeordnet ist. Als
Betätigungsglied kann dabei beispielsweise ein Zwischenhebel in Form eines Schwing-
oder Kipphebels dienen, der über die Nockenwelle der Maschine angetrieben wird.
Der LagerpuSçt des Schwinghebels läßt sich dabei in einfacher Weise über einen Verstellexzenter
verlagern, der über einen Stellmotor verdrehbar ist. Die Verlagerung des Lagerpunktes
bei Verdrehung des Stellexzenters ergibt sich dabei dadurch, daß der das Vorauslaßventil
beaufschlagende Schwinghebel im Verstellexzenter gelagert wird.
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Mit der Anhebung der Turbinendrehzahl ergibt sicI4'rerdichterseitig
eine erhöhte Luftfördermenge, die maschinenseitig im Leerlaufbetrieb oder bei niedrigen
Drehzahlen im unteren Teillastbereich nicht abgenommen werden kann. Es wird deshalb
im Rahmen der Erfindung der Überströmweg vom Verdichter zur Turbine absteuerbar
gestaltet, was in einfacher Weise dadurch
erreichbar ist, daß im
Überströmweg ein Sperrventil angeordnet ist. Der Überströmweg vom Verdichter zur
Turbine wird dabei zweckmäßigerweise von der Verbindung des Verdichters mit der
Ansaugseite der Maschine abgezweigt und es wird das Sperrventil in diese Zweigleitung
eingesetzt.
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Das Sperrventil müßte im Rahmen der Erfindung ebenso wie der Stellmotor
für den Verstellexzenter angesprochen werden.
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Dies laßt sich in einfacher Weise hydraulisch oder elektrisch in Abhängigkeit
von der Drosselklappenstellung der Maschine, bzw. in entsprechender Weise von der
Fahrpedalstellung des Fahrzeuges erreichen in das die Maschine eingebaut ist. Insbesondere
ist dies in einfacher Weise auf hydraulischem Wege möglich, und zwar dadurch, daß
ein hydraulisches Stellventil in den Ölkreislauf der Maschine eingesetzt wird, das
in Abhängigkeit von der Laststellung den Druckölzufluß zu dem llydraulik-Sperrventil
freigibt, bzw. unter Zwischenschaltung eines Uberdrückgliedes den Stellmotor umschaltet
und dadurch den Öffnungszeitpunkt für das Vorauslaßventil verlagert.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines schematisierten Ausfüllrungsbeispieles
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in schematisierter Darstellung eine IIubkolben-Brennkraftmaschine,
welche über einen Abgasturbolader aufgeladen ist, ii n d Fig. 2 ein Steuerdiagramm
für die Maschinenanordnung gemäß Fig. 1.
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Mit 1 ist in Fig. 1 eine ausschnittsweise im Schemaschnitt dargestellte
Ilubkolben-Brennkraftmaschine bezeichnet, die einen Kolben 2 und einen Zylinderkopf
3 aufweist, dem die Gasweohselsteuerelemente zugeordnet sind. Diese umfassen im
dargestellten Ausführungsbeispiel ein einem Einlaßkanal 4 zugeordnetes Einlaßventil
5, ein nicht dargestelltes, einem ebenfalls nicht dargestellten Auslaßkanal zugeordnetes
Auslaßventil sowie ein Vorauslaßventil 6, dessen Auslaßkanal 7 ebenso wie der dem
nicht dargestellten Auslaßventil zugeordnete Auslaßkanal an die Turbine 8 angeschlossen
ist, die zusammen mit einem Verdichter 9 den insgesamt mit lo bezeichnetzen Abgasturbolader
bildet.
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Den Gaswechselsteuerelementen ist zur Betätigung eine im Zylinderkopf
3 gelagerte Nockenwelle 11 zugeordnet, deren Nokken in nicht näher dargestellter
Weise über Schwinghebel die Ventile betätigen. Von diesen Schwinghebeln und Betätigungselementen
sind im Ausführungsbeispiel lediglich der dem Einlaßventil 5 zugeordnete Schwinghebel
12 sowie ein weiterer Schwinghebel 13 gezeigt, der als Zwischenglied zur Betätigung
des Vorauslaßventiles 6 dient. Der Schwinghebel 13 beaufschlag dabei das Vorauslaßventil
6 über einen Schwinghebei 14, der in einem Verstellexzenter 15 gelagert ist und
über den Verstellexzenter 15 quer zum Vorauslaßventil 6 verstellbar ist, wodurch
die wirksame IIöhe des zwischen Schwinghebel 13 und Ventil 6 liegenden Teiles des
Schwinghebels 14 veränderbar ist. Letzterer ist nämlich, dem Schwinghebel 13 zugeordnet,
mit,-einer Beaufschlagungsschräge 1G versehen, die bei Verschiebung des Schwinghebels
14 quer zu seiner Lagerachse und quer zum Ventil 6 den wirksamen Hub des letzteren
und dessen Steuerzeit verändert. Wird der Schwinghebel 14
bei der
gezeigten Konstruktion möglichst weit zwischen Ventil 6 und Schwinghebel 13 geschoben,
so ergibt sich der maximale Hub und ein früher Öffnungsbeginn für das AuLaßventil
6, während bei umgekehrter Verstellung der Auslaßbeginn für das Auslaßventil gegen
spat verschoben und der Öffnungshub auch verringert wird.
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Die Verstellung des Verstellexzenters 15 erfolgt über einen Stellmotor
17, der im dargestellten Ausführungsbeispiel elektrisch angetrieben ist, jedoch
auch durch ein hydraulisches Stellglied gebildet sein könnte. Der Verstellbereich
a), der durch Verdrehung des Verstellexzenters 15 mittels des Stellmotores 17 möglich
ist, ist im Diagramm gemäß Fig. 2 angezeigt, das zeigt, daß die im Rahmen des Ausführungsbeispiels
vorgesehene frühstmögliche Öffnung bei einem Surbelwinkel von etwa 20 Grad nach
oberem Totpunkt erfolgt. ilierdurch ergibt sich gegenüber dem Öffnungszeitpunkt
für das nichtdargestellte Auslaßventil eine Vorverlagerung von etwa 11 o Grad Kurbelwinkel.
Diese Vorverlagerung entspricht gleichzeitig im dargestellten Ausführungsbeispiel
dem Verstellbereich für das- Vorauslaßventil, da dieses im vorgesehenen Ausführungsbeispiel
spätestexis mit dem hier nicht dargestellten Auslaßventil bei etwa 130 Grad nach
oberem Totpunkt öffnet. Das Schließen des Vorauslaßventiles erfolgt im vorgesehenen
Ausführungs beispiel vor dem oberen Totpunkt, und zwar insbesondere vor Öffnen des
Einlaßventiles 5, wobei Schließen des Vorauslaßventiles und Öffnen des EinlaS-ventiles
lediglich für jenen Fall nahezu zusammenfallen, bei dem das Vorauslaßventil etwa
mit dem Auslaßventil öffnet. Mit entsprechender Vorverlagerung des Öffnungszeit
punktes für das Vorauslaßventil wird nämlich auch dessen Schließzeitpunkt nach vorne
verlagert.
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Im Rahmen des erfindungsgemäß dargestellten Ausftihrungsbei spieles
weist der Stellmotor lediglich zwei Endstellungen ohne Zwischenstufen auf. Es ist
damit eine Verstellung lediglich zwischen den dargestellten Extremwerten möglich.
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Im Rahmen der Erfindung liegt aber auch die Möglichkeit, mehrere Zwischenstellungen
vorzusehen, was jedoch einen entsprechend höheren Schaltungsaufwand verursacht.
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Während durch die Verlagerung des Öffnungszeitpunktes des Vorauslaßventiles
der Anteil der Brenngase der Maschine zu bestimmen ist, der bereits im frühen Expansionstakt
aus dem Brennraum abgezweigt und auf die Turbine geführt wird, ist durch eine Kurzschlußleitung
zwischen Verdichter 9 und Turbinde 8 zusätzlich eine unmittelbare Förderung des
Verdichters auf die Turbine möglich Die Verbindung zwischen Verdichter 9 und Turbine
X ist hierbei erfindungsgemäß durch ein im Überströmweg angeordnetes, hier hydraulisches
Ventil 18 steuerbar, und zwar parallel zum Stellmotor. Die Ansteuerung erfolgt dabei
in Abhängigkeit von der Stellung des Fahrpedales 19, das über ein Gestänge 20 auf
ein Hydraulikventil mit einem Steuerschieber 21 wirkt, über den der Anschluß des
Ventiles 1o an den Motorölkreislauf, symbolisiert durch die Pumpe 22 herzustellen
ist. Wird das Fahrpedal 19 weiter in Richtung auf Vollast verschwenkt, so wird der
Schieber 21 nach unten versetzt und die Leitungsverbindung zwischen dem Motorölkreislauf
und dem Ventil 18 freigegeben. Wird dieses mit Drucköl beaufschlagt, so wird durch
den im Raum 23 sich aufbauenden Öldruck der Kolben 24 mit dem mit ihm starr verbundenen
Sperrglied 25 im Ausführungsbeispiel gegen die Kraft der Feder 26 nach oben verschoben,
bis
er im Bereich des Querschnittes 27 (gestrichelte Linie) den Durchgang absperrt und
damit ein Übertreten von Luft aus dem Verdichter 9 zur Turbine 8 absperrt.
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Nit dem Schieber 21 ist über ein Überdrückglied 28 ein Umschalter
29 verbunden, dor beim Umschalten, wie symbolisch dargestellt, den Stellmotor 17
umpolt und dadurch dessen Antriebsdrehrichtung verändert.
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Ist die Verbindung des Verdichters 9 mit der Turbine 8 durch Unterbrechung
des Überströmweges - Schließen des Sperrventiles 18 - unterbrochen, so wird die
vom Verdichter 9 geförderte Luft über einen Ladeluftkühler 30 der Saugseite des
Motores zugeführt, und zwar über eine über das Fahrpedal 19 verstellbare Drosselklappe
31, die dem Einlaßkanal 4 vorgelagert angeordnet ist.
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Im Steuerdiagramm gemaß Fig. 2 sind neben den bereits angesprochenen
Steuerdaten auch noch die Öffnungs- und Schließpunkte des Einlaßventiles angegeben.
Die einzelnen Steuerpunkte sind dabei wie folgt bezeichnet: Einlaßventil öffnet:
Eö Einlaßventil schließt: E 5 Auslaßventil öffnet: Aö Auslaßventil schließt: As
5 Vorauslaßventil öffnet: VA..
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0 Vorauslaßventil schließt: VAs.
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L e e r s e i t e