DE3326133A1 - Aufgeladener motor mit selbstzuendung - Google Patents
Aufgeladener motor mit selbstzuendungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen aufgeladenen Motor mit Selbstzündung nach dem Gattungsbegriff des Anspruches
Es ist bekannt, daß der Verbrennungsdruck und somit die Ausgangsleistung
eines Motors vergrößert wird, wenn der Vorverdichtungsdruck erhöht wird, so daß die maximale Ausgangsleistung
des Motors durch den maximal statthaften Druck festgelegt ist.
Es ist möglich, die Leistung zu erhöhen, während der maximale Verbrennungsdruck unterhalb des maximal statthaften Druckes
gehalten wird, indem das Verdichtungsverhältnis vermindert wird. Dies führt jedoch zu Problemen, wie beispielsweise
zu Schwierigkeiten beim Starten des Motors, zu Fehlzündungen während eines Betriebes mit geringer Last usw.. Im Falle
eines Dieselmotors, der so ausgelegt ist, daß er mit einem Verdichtungsverhältnis von ungefähr 8:1 arbeitet, ist es
möglich, einen mittleren effektiven Druck von ungefähr 32 kg/cm zu erzielen. In dem Fehlzündungsbereich, der in
Fig. 1 schraffiert dargestellt ist, ist jedoch der auf den Motor wirkende Lastpegel gering, so daß der Turbolader seine
Leistung nicht ausüben kann. Infolgedessen werden der Druck und die Temperatur der angesaugten Luft herabgemindert, so
daß die gewünschte Zündtemperatur im Verdichtungshub nicht erreicht wird. In solch einem Fall werden auf der Abgasseite
weiße oder blaue übel riechende Dämpfe von dem Motor abgegeben und der Motor ist schließlich nicht mehr betriebsfähig
aufgrund von Fehlzündungen.
Um dieses Problem zu vermeiden, sind zwei Gegenmaßnahmen
vorgeschlagen worden, nämlich ein Verfahren mit veränder-
Ii eher Kompression und ein überlagerungs verfahren. Diese
Gegenmaßnahmen sind jedoch nur bei Waffen benutzt worden, da die erstere Maßnahme einen komplizierten Steuermechanismus
erfordert, "während die letztere Maßnahme den Nachteil eines großen Abfalles in der thermischen Leistungsfähigkeit
aufweist.
Es ist daher die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen aufgeladenen Motor mit Selbstzündung anzugeben, der
sogar bei einem geringen Verdichtungsverhältnis in stabiler Weise arbeitet, wodurch die zuvor beschriebenen bekannten
Probleme vermieden werden. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Ein Motor mit Selbstzündung gemäß der vorliegenden Erfindung sei nunmehr anhand eines in den beiliegenden Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm der Betriebscharakteristik eines Motors mit Selbstzündung, wobei insbesondere die
Fehlzündungszone über dem Ausgangsdrehmoment und der Motordrehzahl eingezeichnet ist;
Fig. 2 eireSchnittansicht einer Abgasturbine eines turbogeladenen
Motors gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in
Fig. 2;
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Fig. 4 eine Schnittansicht eines Teiles der Abgasturbine entlang der Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 5 ein PV-Di agraram;
Fig. 6 eine Schnittansicht eines Teiles eines 4-Takt-Motors
gemäß der Erfindung;
Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie VII-VII in Fig. 6;
Fig. 8 und 9 Darstellungen zur Veranschaulichung des Öffnungsbereiches
des Einlaßventiles und des Druckes in dem Zylinder in Abhängigkeit von der Stellung
der Kurbelwelle;
Fig. 10 eine Vorderansicht eines Nockens;
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines turbogeladenen Motors mit Selbstzündung gemäß der Erfindung;
Fig. 12 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung
zwischen der Motordrehzahl und dem polytropischen Index im Kompressionshub; und
Fig. 13 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Leistung
eines Turboladers.
Gemäß den Fig. 2 bis 4 besitzt das Turbinengehäuse 1 eines Turboladers eine Düse 2, die mit mehreren Düsenrippen mit
strömungsdynamischem Profil versehen ist. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel besitzt die Düse 2 drei Düsenrippen 2a,
2b und 2c. Abgas, das von einem Abgaseinlaß 3 kommt, wird beschleunigt und entsprechend ausgerichtet, wenn es durch
die Düse 2 fließt und treibt sodann eine Turbine 4 an.
Ein Rotor 5 ist mit Wellen 5c und 5d (siehe Fig. 3) versehen, die drehbar in Lagern durch das Turbinengehäuse 1 und einen
Deckel 6 abgestützt sind. Ein Hebel 7 ist mit der Welle 5c befestigt. Wenn der Hebel 7 eine in ausgezogenen Linien dargestellte
Stellung einnimmt, so nimmt der Rotor 5 ebenfalls eine Stellung ein, die durch ausgezogene Linien dargestellt
ist. Die Düse 2 kann von herkömmlicher Konstruktion sein.
Wenn der Hebel 7 im Uhrzeigersinn gedreht wird, wie dies durch den Pfeil in Fig. 2 angedeutet ist, so wird der Rotor
5 ebenfalls gedreht und bewegt ein Ende 5a in die Düse 2, wodurch die Durchtrittsfläche der Düse verringert wird.
Demzufolge wird der Druck an dem Abgaseinlaß 3, d.h. der Abgasdruck des Motors erhöht und die Geschwindigkeit des
durch die Düse 2 fließenden Gases wird ebenfalls erhöht, wodurch die Ausgangsleistung der Turbine 4 ansteigt. Infolgedessen
wird die Antriebsleistung zum Antrieb des Kompressors erhöht und der Ladeluftdruck angehoben.
Wenn der Hebel 7 in die durch eine gebrochene Linie in Fig. dargestellte Position gedreht wird, so kann das Ende 5a des
Rotors 5 in die dargestellte Stellung bewegt werden, um eine Düse mit extrem kleiner Durchtrittsfläche zu bilden. In diesem
Zustand ist die Wirksamkeit der Turbine gering und der Druck an dem Turbineneinlaß ist sehr viel höher als der Druck
' U> * rf
an dem Kompressorauslaß.
Vie aus dem PV-Diagramm in Fig. 5 erkennbar, muß der Motor Arbeit entsprechend dem schraffierten Bereich verrichten,
um Abgas auszustoßen, so daß der Brennstoffverbrauch unvermeidbar ansteigt. In dem Betriebszustand mit geringer
Drehzahl und geringer Last ist diese Arbeit des Motors wesentlich für den Betrieb des Turboladers, und der Ladedruck
kann angehoben werden auf Kosten einer Reduktion der thermischen Wirksamkeit.
Der Rotor 5 ist mit einer Durchtrittsöffnung 5b versehen, die während des Normalbetriebs geschlossen gehalten wird,
wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die Düsen-Durchtrittsfläche
wird jedoch vermindert, wenn der Rotor 5 im Uhrzeigersinn gedreht wird. Zur gleichen Zeit bildet die Durchtrittsöffnung
5b eine Verbindung zwischen der Düse 2 und einer Durchführung 8, die mit dem Kompressorauslaß des
Turboladers über einen Ve rbindungs ans chluß 9 verbunden ist.
Beim Betrieb des Motors mit hoher Drehzahl und ohne Last kann die Arbeit entsprechend dem schraffierten Bereich in
Fig. 5, d.h. die negative Arbeit,als eine Abgasbremse verwendet werden.
Fig. 4 zeigt einen Zustand, in welchem der Rotor 5 im Gegenuhrzeigersinn
gedreht worden ist. Wie aus der Figur erkennbar, erzeugt der Rotor in dieser Stellung den gleichen
Effekt, wie wenn er im Uhrzeigersinn gedreht wird.
Der Turbolader gemäß der Erfindung kann sogar einen hohen Ladedruck aufrechterhalten, wenn die Fließgeschwindigkeit
der Luft gering ist9 Indem der hohe Gasdruck am Turbineneinlaß
-wirksam ausgenutzt -wird. Wie noch näher beschrieben
•wird, ist es möglich, Fehlzündungen -während des Betriebs
mit geringer Last zu verhindern, Indem dieses Merkmal -wirksam
ausgenutzt wird.
Fig. 6 zeigt einen 4-Takt-turbogeladenen Motor mit Selbstzündung
gemäß der Erfindung. Der Motor besitzt mehrere Zylinder 10, von denen nur einer dargestellt ist und die
jeweils einen Kolben 11 gleitend und hin- und hergehend aufnehmen, wobei der Kolben 11 gelenkig mit dem oberen
Saide einer Kolbenstange 12 verbunden ist. Das untere Ende
der Kolbenstange 12 Ist mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden. Der Zylinder 10 weist einen Zylinderkopf
13 auf5 in welchem eine Einlaßöffnung 14 und eine Auslaßöffnung
15 angeordnet sind. Ein Einlaßventil 16 und ein
Auslaßventil 17 sind in den Öffnungen 14 und 15 entsprechend angeordnet.
Ein Drehventil 19 Ist in einem Einlaßrohr 18 angeordnet,
welches die Einlaßöffnung 14 und den in dieser Figur nicht dargestellten Turbolader verbindet. Das Drehventil 19 wird
durch die Kurbelwelle des Motors über einen Getriebemechanismus angetrieben, so daß es als ein Steuerventil dient, wobei
ein Beispiel eines solchen Mechanismus weiter unten anhand der FIg. 7 erläutert wird.
Das Drehventil 19 ist durch einen Stift 21 mit einer Antriebswelle
20 befestigt und zwischen Buchsen 22 und 23 auf der "Welle 20 eingespannt. Eine weitere Buchse 24 wird
ebenfalls von der Antriebswelle 20 getragen. Die Antriebswelle 20 ist drehbar durch Kugellageranordnungen 25, 26
und 27 abgestützt, die entsprechend zwischen den Buchsen 22, 23 und 24 und der Wand des Einlaßrohres 18 angeordnet
sind.
Eine Welle 32 ist drehbar durch einen Rahmen 28 über Kugellageranordnungen
29 und 30 abgestützt und dient dem Antrieb eines Schaltzahnrades 31, welches antriebsmäßig mit der
nicht dargestellten Kurbelwelle über einen Getriebemechanismus verbunden ist. Die Antriebswelle 20 ist mit der Welle
32 über ein Einstellglied 33 verbunden, wobei dieses Einstellglied der Einstellung der öffnungs- und Schließungszeit dient.
Wie aus Fig. 9 erkennbar, ist das Drehventil 19 so ausgelegt, daß es in einem Intervall von ur^fähr 90° öffnet und
schließt. Das Drehventil 19 wird mit einer Geschwindigkeit angetrieben, die der Hälfte der Geschwindigkeit der Kurbelwelle
entspricht.
Andererseits erstreckt sich die Periode des Ansaughubes des Motors über ungefähr 180° einer Umdrehung der Kurbelwelle.
Daher besitzt das Drehventil 19 eine Öffnungsperiode von ungefähr 180°, bezogen auf eine Kurbelwellenumdrehung, wie
dies auch für das Einlaßventil 16 der Fall ist.
Nachstehend sei unter spezieller Bezugnahme auf Fig. 7 der
Aufbau der Mittel beschrieben, die dem Einstellen der Öffnungs- und Schließungszeit des Drehventiles 19 dienen.
Die gegenüberliegenden Enden der Antriebswelle 20 und die drehbare Welle 32 sind mit spiralförmigen Kerbverzahnungen
20a und 32a mit entgegengesetzter Verzahnungsrichtung versehen. Die Kerbverzahnungen 20a und 32a befinden sich mit
Ansätzen in Eingriff, die an der inneren Ümfangsfläche des Einstellgliedes 33 angeformt sind. Die Anordnung ist dergestalt
g daß bei einer Bewegung des Einstellgliedes 33 in einer axialen Richtung die Antriebswelle 20 einer Winkeldrehung
in einer vorbestimmten Richtung in bezug auf die drehbare Welle 32 ausführt, während durch eine Bewegung des
Einstellgliedes 33 in der entgegengesetzten axialen Richtung eine entgegengesetzte Winkelbewegung der Antriebswelle 20
hervorgerufen wird. Es ist somit möglich, den Zeitpunkt der Drehbewegimg der Antriebswelle durch Bewegung des Einstellgliedes
33 zw verändern und hierdurch die öffnungs- und
Schließungszeiten des Drehventils 19 einzustellen.
Die axiale Bewegung des Einstellgliedes 33 wird durch eine Mn- und hergehende Bewegimg des Einstellhebels 34 hervorgerufen
, der mit einem Ende in einer ringförmigen Aufnahmenut 33a in der äußeren Ümfangsfläche des Einstellgliedes
33 angeordnet ist. Der Einstellhebel 34 ist durch eine Welle
35 hin» und hergehend gelagert. Das andere Ende des Hebels
% ist mit einem Steueraechanismus verbunden, der in Fig. 7
nicht dargestellt ist.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 8 und 9 sowie auf das PV-Diagramm
sei nachfolgend die zeitliche Betätigung des Einlaßventils 16 und des Drehventils 19 erläutert.
In den Fig. 8 und 9 zeigen die ausgezogenen Kurven A in dem oberen Teil des Diagramms den Anhebungs- bzw. Öffnungsbereich
des Einlaßventils 16 in bezug auf die Winkelstellung der Kurbelwelle des Motors, während die gestrichelten Linien
B zeigen, wie der öffnungswinkel bzw. der Öffnungsbereich verändert wird.
Im Vollastbetrieb des Motors beginnen gemäß Fig. 8 sowohl das Einlaßventil 16 als auch das Drehventil 19 am Anfang
des Ansaughubes zu öffnen, wobei dies bei einem Punkt a in der Nähe des unteren Umkehrpunktes geschieht. Am Ende des
Ansaughubes beginnen sowohl das Einlaßventil 16 als auch das Drehventil 29 in einem Punkt zu schließen, der in der
Nähe des Punktes b liegt. Das PV-Diagramm im Vollastbetrieb ist somit identisch mit demjenigen bei einem herkömmlichen
Motor.
Während des Betriebs mit geringer Last,auf welchen Betrieb
sich die Erfindung bezjfe ht, beginnt gemäß Fig. 9 das Drehventil
19 zu öffnen, bevor das Einlaßventil 16 öffnet, was durch die gestrichelte Kurve B veranschaulicht ist. Dies
geschieht aufgrund der axialen Bewegung des Einstellgliedes 33 und durch den Einstellmechanismus,der noch weiter erläutert
wird. Somit erfolgt kein Ansaugen, wenn das Drehventil 19 anfänglich öffnet, da das Einlaßventil 16 in diesem
Moment noch geschlossen ist. Wenn das Einlaßventil 16 zu öffnen beginnt, so ist das Drehventil 19 nahezu vollständig
geöffnet und das Drehventil 19 schließt an einem Zwischenpunkt c des Ansaughubes. Das Einlaßventil 16 schließt
am Ende des Ansaughubes nahe dem unteren Umkehrpunkt des Kolbens 11.
Wenn das Einlaßventil 16 am Anfang des Ansaughubes zu öffnen beginnt, so ist das Drehventil 19 vollständig geöffnet, so
daß die Luft in den Zylinder 10 eingeführt -wird. An einem
Zwischenpunkt 1 des Ansaughubes ist jedoch das Drehventil 19 geschlossen, wie aus der Kurve in dem unteren Teil von
Fig. 9 hervorgeht und durch Vergleich mit der gestrichelten Linie B verständlich wird.
in Fig. 7 In diesem Moment wird das Auslaßventil 17/durch die Wirkung
eines Hilfsnockens geöffnet, was später im Zusammenhang mit Fig. 10 erläutert wird, so daß die heißen Auslaßgase mit
einem durch den Turbolader angehobenen Druck in den Zylinder hineingezogen werden. Das Auslaßgas wird nur während der
zwischen den Punkten 1 und 2 in Fig. 9 dargestellten Periode eingeführt.
In diesem Zustand ist die Einlaßöffnung durch das Drehventil 19 geschlossen worden, so daß das Abgas mit hohem Druck und
hoher Temperatur nicht nach der Einlaßsite des Motors entweicht. Das in den Zylinder eingeführte Gas mit hohem Druck
heizt und komprimiert die Luft in dem Zylinder 10, um eine Mischung mit extrem hoher Temperatur und extrem hohem Druck
am Beginn des Kompressionshubes zu bilden, was in Punkt 2 in Fig. 9 veranschaulicht ist. In diesem Augenblick werden
sowohl das Einlaß- als auch das Auslaßventil 16 bzw. 17 geschlossen,
um die Zündimg sicherzustellen, die am Ende des nunmehr begonnenen Kompressionshubes stattfindet.
Fig. 10 zeigt einen bekannten Nocken des erfindungsgemäßen Motors. Der Nocken besitzt zwei Nockenteile, nämlich einen
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Hauptnocken 36 und einen Hilfsnocken 37. Der Hauptnocken
36 besitzt die gleiche Funktion wie der gewöhnlicherweise den Auslaß steuernde Nocken und dient der Öffnung des Auslaßventils
17 während des Auslaßhubes,während der Hilfsnocken 37 dem Öffnen des Auslaßventiles 17 in einem Augenblick
in der Nähe des unteren Umkehrpunktes beim Ansaughub dient, was aus Fig. 9 erkennbar ist.
Eine Erläuterung bezüglich des Aufbaues und der Arbeitsweise des turbogeladenen Motors mit Selbstzündung,der erfindungsgemäß
so ausgelegt ist, daß er sogar bei geringem Kompressionsverhältnis arbeitet, sei nunmehr gegeben.
Gemäß Fig. 11 wird die verdichtete Luft bzw. das Luftgemisch, das von dem Kompressor 41 des Turboladers 40 abgegeben
wird, in die Zylinder 46 des Motors über ein Einlaßrohr 42, einen Einlaßkrümmer 43, einen Luftkühler und Verzweigungsrohre
45 eingeführt. Die von dem Motor 46 ausgestoßenen Abgase wirken auf eine Abgasturbine 48 (vom gleichen
Typ wie die Turbine 4 in den Fig. 2-4) eines Turboladers 40 über ein Abgasrohr 47. Die Abgasturbine 48 ist
mit einer veränderlichen Düsen-Durchtrittsfläche versehen, wie dies in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt ist. Das Abgas
treibt sodann die Turbine an und wird auf atmosphärischen Druck entspannt, bevor es in die Atmosphäre abgegeben wird.
Eine Antriebswelle 49, die mit einem Ende der Kurbelwelle verbunden ist, rotiert zusammen mit der Kurbelwelle beim
Betrieb des Motors 46. Die Antriebswelle 49 trägt an ihrem einen Ende ein Zahnrad 50, das mit einem Schaltzahnrad 51
kämmt, um verschiedene Einrichtungen anzutreiben, wie bei-
·* 33261
spielsweise eine Nockenwelle mit dem Nocken 36 gemäß Fig. 10 eine Brennstoff-Einspritzpumpe usw.. Das Zahnrad 50
kämmt ebenfalls mit dem Antriebszahnrad 52, um das Drehventil, das als Steuerventil dient, anzutreiben. Das Zahnrad
50 treibt das Zahnrad 52 mit einer Geschwindigkeit an, die der Hälfte der Kurbelviellengeschwindigkeit entspricht.
Drehventile 53 mit zwei Flügeln ähnJubh dem Drehventil 19,
welches in Fig. 6 dargestellt ist, sind in den Einlaß-Verzweigungsrohren 45 angeordnet, die zu den Einlaßöffnungen
der Zylinder des Motors 46 führen. Diese Ventile sind auf einer gemeinsamen Antriebswelle 54 gelagert. Die Betriebszeitpunkte der Drehventile 53 werden durch einen Mechanismus
eingestellt, der im wesentlichen demjenigen entspricht, der zuvor anhand von Fig. 7 erläutert wurde. Der Mechanismus
umfaßt eine drehbare Welle 55, die zusammen mit dem Antriebszahnrad 52 dreht und die koaxial auf die Antriebswelle
54 ausgerichtet ist und mit dieser über ein Einstellglied 56 verbunden ist. Spiralförmige Kerbverzahnungen 54a
und 55a sind auf den gegenüberliegenden Enden beider Wellen angeordnet -und weisen eine entgegengesetzte Verzahnungsrichtimg
auf. Die schraubenförmigen Kerbverzahnungen befinden sich mit Ansätzen im Eingriff, die auf der inneren
ümfangsfläche des Einstellgliedes 56 angeordnet sind. Das
Einstellglied 56 weist in seiner äußeren Ümfangsfläche eine ringförmige Aufnahmenut 57 auf, die das eine Ende eines
Einstellhebels 59 aufnimmt, der hin- und hergehend durch eine Welle 58 gelagert ist. Das andere Ende des Hebels 59
ist mit einem Gelenk 60 einer Gelenkstange 61 und einem flexiblen Kabel 62 verbunden. Die Gelenkstange 61 ist an
ihrem rechten Ende mit dem einen Ende eines Hebels 63 ver-
Λ Λ /» Λ Ί
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- 16 -
bunden, welcher an seinem anderen Ende schwenkbar auf einer
Welle 64 gelagert ist. Die Welle 64 ist drehbar in dem Einlaßrohr 42 abgestützt. Ein Schaltventil 65 sitzt auf dem
anderen Ende der Welle 64 und kann mittels dieser Welle hin- und herbewegt werden zwischen einer ersten Position, in der
es der aufgeladenen Luft den Durchfluß durch einen Luftkühler 66 gestattet und einer zweiten Position, in welcher es
die Luft durch eine Umgehungsleitung 67 leitet.
Das rechte Ende des flexiblen Kabels 62 ist mit einem Hebel 68 verbunden, der im wesentlichen dem Hebel 7 entspricht,
wie er in den Fig. 2 bis 4 dargestellt ist und der der Veränderung der Düsen-Durchtrittsfläche der Turbine dient.
Der Rotor 69, der im wesentlichen dem Rotor 5 gemäß den Fig. 2 bis 4 entspricht, wird durch den Hebel gedreht, um
die Durchtrittsfläche der Turbinendüse zu verändern. Wie im Falle des Rotors 5 ist der Rotor 69 mit einer Durchgangsöffnung ähnlich der Durchgangsöffnung 5b in den Fig. 2 bis
4 versehen. Diese Durchgangsöffnung ist mit einem Bypass 42a versehen, der mit der Einlaßöffnung 42 in Verbindung steht.
Ein Zylinder 70 weist einen Kolben 71 auf, mit welchem das eine Ende einer Kolbenstange 72 verbunden ist, deren anderes
Ende mit dem rechten Ende des Gestänges 60 verbunden ist.
Eine Feder 73 ist zwischen dem Kolben 71 und dem Zylinder 70 angeordnet und spannt den Kolben nach rechts in Fig. 11 vor.
Ein Einlaß in der rechten Wand des Zylinders 70 steht über ein Rohr 74 in Verbindung mit dem Einlaßrohr 42. Der Kammer
zwischen dem Zylinder und dem Kolben 71 wird verdichtete Luft zugeführt, die von einem Kompressor 41 abgegeben wird.
Der Turbolader weist eine hohe Leistung und Wirksamkeit in
dem gewöhnlichen Betriebsbereich auf, d.h. in dem Bereich außerhalb des schraffierten Bereichs in Fig. 1. In dem
gewöhnlichen Betriebsbereich werden daher ein genügend hoher Ladedruck und eine genügend hohe Lufttemperatur erzielt,
um eine gute Betriebscharakteristik des Motors vorzugeben.
Die Erfindung bietet Vorteile besonders im Betriebsbereich mit geringer Last, d.h. in dem schraffierten Bereich in
Fig. 1, was aus der nachfolgenden Beschreibung verständlich wird.
Gewöhnlich ist die Betriebscharakteristik eines turbogeladenen Motors dergestalt, daß bei einer Abnahme der von
dem Motor betriebenen Last der Ladedruck und die Lufttemperatur abgesenkt werden.
Eine Erläuterung sei nachstehend für den Fehlzündungsbereich
1 in Fig. 1 vorgenommen. Sine Druckverminderung in dem Einlaßrohr 42 ruft eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn des
Hebels 59 um die Achse der Welle 58 über die Wirkung des Kolbens 71 9 der Kolbenstange 72 und der Verbindungsstange
60 hervor. Demzufolge wird der Hebel 63 im Uhrzeigersinn durch die Verbindungsstange 61 gedreht, die den Hebel 59
und den Hebel 63 miteinander verbindet, so daß das Schaltventil 65,das an den Hebel 63 angeschlossen ist, in die
Stellung bewegt wird, die in Fig. 11 durch ausgezogene Linien dargestellt ist, wodurch der Luftfluß über den
Bypass 67 erfolgt und der Luftkühler 66 umgangen wird. So-
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mit ist im Gegensatz zu dem Betriebsfall bei schwerer Last die Verminderung der Lufttemperatur und die Fehlzündung des
Motors vermieden.
Wenn der Luftdruck und die Temperatur weiter in dem Fehlzündungsbereich
2 abgesenkt werden, so wird der Kolben 71 weiter nach rechts bewegt, um den Hebel 68 und den Rotor 69
zu drehen.
Diese Verhältnisse seien in näheren Einzelheiten unter Bezugnahme auf Fig. 12 erläutert. In diesem Zustand des Motorbetriebs
hat der Hebel 7 ungefähr die Hälfte seines Gesamthubes durchlaufen, so daß der Durchlaßbereich der Turbinendüse
nahezu um die Hälfte vermindert ist. Wenn sodann der Abgasdruck erhöht wird, wird die Turbine 48 (entsprechend
der Turbine 4 in Fig. 4) angetrieben und beschleunigt den Kompressor 41, so daß der Abgabeluftdruck und die Temperatur
angehoben werden, um ein Fehlzünden des Motors zu verhindern. Der Fehlzündungsbereich 3, der in Fig. 1 dargestellt ist,
stellt den wichtigsten Faktor dar, der die Entwicklung eines turbogeladenen Motors mit Selbstzündung und mit geringem
Verdi chtungsverhältni s verhindert.
Fig. 12 zeigt die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und
dem polytropischen Index beim Kompressionshub. Wie aus dieser Figur erkennbar ist, erfolgt der Temperaturanstieg der verdichteten
Luft in dem Zylinder, wenn der Motor mit geringer Drehzahl läuft, nicht auf adiabatische Weise, sondern es
geht ein beträchtlicher Betrag an Wärme bei jedem Kompressionshub verloren.
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Andererseits weist der mit dem Motor kombinierte Turbolader eine Leistung auf, die durch eine Kurve 1-2-3-4 in Fig. 13
veranschaulicht ist. Insbesondere entspricht der Punkt 1 einem Leerlaufzustand des Motors, während der Punkt 2 das
Druckverhältnis anzeigt, das erreicht wird, wenn der Motor mit voller Last bei der momentanen Drehzahl betrieben wird.
Der Bereich 3 bildet den Bereich, in welchem das Verdichtungsverhältnis
gering ist, und der polytropische Index, der die Wärmeübertragung zu dem .Zylinder und anderen Teilen angibt,
ist groß, so daß der durch die Verdichtung hervorgerufene Temperaturanstieg gering ist, während der Turbolader nahezu
unwirksam ist. Gemäß der Erfindung ist es jedoch möglich, Fehlzündungen sogar in diesem Bereich 3 zu vermeiden.
Eine Verminderung des Ladedrucks veranlaßt die Feder 73 den
Kolben 71 weiter nach rechts zu drücken, so daß der Hebel 7 rad der Rotor 5 des in Fig. 2 dargestellten Turboladers in
die durch die strichpunktierte Linie dargestellte Position bewegt werden, um drastisch die Durchtrittsfläche der Düse
zu vermindernj was über das mit dem Hebel 59 verbundene
flexible Kabel 62 geschieht.
Demzufolge wird der Abgasdruck angehoben, um die Fließgeschwindigkeit
des aus der Düse austretenden Gases zu erhöhen, so daß die Turbine ihre·Leistung zum Antrieb des
Kompressors erhöht.
Wenn jedoch die Motordrehzahl gering ist, d.h. wenn die Versorgungsluftzufuhr zu dem Motor gering ist, so kann der
Kompressor nicht die Luft mit dem hohen Druckverhältnis
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liefern, da ein Pumpbereich vorliegt, wobei dies auch zutrifft, wenn die durch die Gasturbine gelieferte Antriebsleistung
groß ist.
Bei dem Turbolader, auf den sich die Erfindung bezieht, öffnet daher die Durchführung 5b in dem Rotor 5 an ihrem einen
Ende nach der Durchführung 8 und an ihrem anderen Ende zu der stromabwärtigen Seite des verminderten Durchtrittsbereiches
der Düse, der durch ein Ende 5a des Rotors 5 und ein Ende 1a des Gehäuses 1 bestimmt ist. Die Durchführung
ist über einen Verbindungsanschluß 9 und durch den Bypass
42a mit der Abgabeseite des Kompressors des Turboladers verbunden, d.h. mit dem Einlaßrohr 42 gemäß Fig. 11, so daß ein
Teil der Turbinendüse 2 in Verbindung mit der Einlaßseite gebracht wird.
Der hohe am Turbineneinlaß 3 verfügbare Abgasdruck wird in kinetische Energie umgewandelt, wenn das Abgas durch die
Düse mit kleiner Durchtrittsfläche fließt, wobei die Durchtrittsfläche
durch das eine Ende 5a des Rotors und das eine Ende 1a des Gehäuses 1 definiert ist, so daß der Gasdruck an
der stromabwärtigen Seite der Düse gering ist.
Da sich die Durchführung 5b nach der Niederdruckseite öffnet, ist es möglich, die Luft der Abgasseite zuzuführen.
Gemäß Fig. 13 kann die Luft mit einem Betrag entsprechend der Differenz zwischen 2b und 2a über die Durchführung 5b
(siehe Fig. 2) vorbeiströmen, so daß der Kompressor 41 die Luft mit einer Geschwindigkeit und einem Druck verdichtet,
wie dies durch 2b dargestellt ist,und diese von dem Ansaugbereich
ablenkt, so daß der Motor die Luft mit einem Druck und einer Geschwindigkeit ansaugt, wie dies durch 2a veranschaulicht
ist.
Erfindungsgemäß ist es ferner möglich, die Emission von übelriechenden weißen bzw. blauen Dämpfen sowie eine Fehlzündung
zu verhindern, indem die Temperatur am Beginn des Kompressionshubes angehoben wird, wie dies aus der nachstehenden
Beschreibung verständlich wird.
Wie zuvor vermerkt, ist in diesem Betriebszustand die Wirksamkeit des Turboladers gering und der Abgasdruck wird im
Vergleich zu dem Ladedruck angehoben. In diesem Zustand arbeitet der Motor gegen eine angehobene Last, um die negative
Arbeit entsprechend dem schraffierten Bereich in Fig. 9 zu überwinden. Demzufolge wird der Kraftstoffverbrauch des
Motors erhöht und die Abgastemperatur wird ebenfalls erhöht.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Lufttemperatur am Beginn des Kompressionshubes zu erhöhen, indem
diese heißen Abgase wirksam benutzt werden. Insbesondere wird bei dem erfindungsgemäßen Motor der Hebel 59 gemäß
Fig. 11 im Gegenuhrzeigersinn gedreht, wie dies zuvor erläutert wurde, so daß das Einstellglied 56, das sich mit
einem Ende dieses Hebels in Eingriff befindet, nach links bewegt wird. Demzu^Lge wird der Schließzeitpunkt des Drehventils
gemäß Fig. 9 nach vorne verlegt.
33261:
Gleichzeitig mit dem Schließen der Einlaßöffnung durch das Drehventil öffnet der Hilfsnocken 37 gemäß Fig. 10 in einem
Augenblick 1 gemäß Fig. 9, so daß das Abgas mit hohem Druck und hoher Temperatur zurück in den Zylinder fließen kann.
Somit wird von dem Augenblick 1 bis zu dem Augenblick 2 gemäß Fig. 9 die Luft in dem Zylinder durch das in den Zylinder
eingeführte Abgas unter Druck gesetzt und aufgeheizt, so daß beim Beginn des Verdichtungshubes innerhalb des Zylinders
eine hohe Temperatur vorliegt. Der Motor mit Selbstzündung kann daher sogar bei einem verminderten Verdichtungsverhältnis
betrieben werdön, ohne daß Fehlzündungen auftreten oder
übelriechende weiße bzw. blaue Abgase abgegeben werden.
Es liegt für den Fachmann auf der Hand, daß der gleiche Vorteil ebenfalls erzielt werden kann, indem der Schließzeitpunkt
des Einlaßventils in einen Punkt c gemäß Fig. 9 durch irgendeine bekannte geeignete Maßnahme verschoben wird.
Ein aufgeladener Motor mit Selbstzündung besitzt einen Turbolader (40) zur Vorverdichtung des Motors, einen Mechanismus
(56, 59) zur Steuerung des Schließzeitpunktes der Einlaßöffnung (42) des Motors und einen Hilfsnocken zum Öffnen
des Ablaßventils des Motors in einem Punkt in der Nähe des unteren Umkehrpunktes des Ansaughubes. Die Durchtrittsfläche
der Turbinendüse des Turboladers wird durch einen rotorähnlichen Mechanismus (69) gesteuert. Eine Durchführung
innerhalb des rotorähnlichen Mechanismus öffnet sich zu der stromabwärtigen Seite dieses Mechanismus. Die Durchführung
steht mit dem Einlaßrohr des Motors über eine Durchführung (42a) in Verbindung.
Leerseite
Claims (9)
- QM, Df.PättiPoetfach 70084S SctmeckenhofetraSe 27 IMOOO Prankfurt am Meta TO 0170?θ19. Juli 1983 GzH/Ra.Usui Kokusai Sangyo Kabushiki Kaisha und Kabushiki Kaisha Kanesaka Gijutsu KenkyushoAufgeladener Motor mit SelbstzündungPatentansprücheM-/ Aufgeladener Motor mit Selbstzündung, gekennzeichnet durch;einen Turbolader zur Vorverdichtung des Motors, Steuermittel zur Steuerung des SchließZeitpunktes einer Einlaßöffnung des Motors, Mittel zum Öffnen eines Auslaßventils des Motors an einem Punkt in der Nähe des unteren Umkehrpunktes im Ansaughub, Mittel zur Veränderung der Querschnittsfläche eines Ansatzrohres in der Turbine des Turboladers, Vielehe eine Durchtrittsöffnung umfassen, die zur stromabwärtigen Seite geöffnet werden kann, und ein Einlaßrohr in Verbindung mit dieser Durchtrittsöffnung.
- 2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel eine erste durch den Motor antreibbare Yielle und eine zweite mit einem Drehventil verbundene "Welle umfassen, wobei das Drehventil dem Öffnen und Schließen der Einlaßöffnung dient und wobei die ersteWelle die zweite Welle über ein Einstellglied dreht, das eine Veränderung der relativen Winkelposition der Wellen zueinander gestattet.
- 3· Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Einstellglied mit kerbverzahnten Teilen der ersten und zweiten Welle im Eingriff befindet, wobei die kerbverzahnten Teile gegensinnig verzahnt sind und das Einstellglied rohrförmig ausgebildet ist und mit den kerbverzahnten Teilen zusammenwirkende Ansätze aufweist, so daß die axiale Bewegung des Einstellgliedes eine Welle in Bezug auf die andere Welle dreht.
- 4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Bewegung des Einstellgliedes durch die Schwenkbewegung eines Hebels bewirkt wird und die Schwenkbewegung durch den Druck in der Einlaßöffnung stromabwärts des Kompressors des Turboladers gesteuert wird.
- 5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkbewegung des Hebels ein Ventil in der Einlaßöffnung betätigt, um die Luft in der Einlaßöffnung zu veranlassen, eine Kühleinrichtung zu durchlaufen oder zu umgehen.
- 6. Motor nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkbewegung des Hebels die Mittel zum Verändern der Querschnittsfläche des Ansatzrohres in der Turbine betätigt.
- 7. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verändern der Querschnittsfläche des Ansatzrohres in der Turbine des Turboladers einen Rotor umfassen, der gedreht "werden kann,um die Querschnittsfläche des Ansatzrohres zu vermindern oder zu erhöhen.
- 8. Motor nach Anspruch 7f dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung in dem Rotor angeordnet ist und sich nach der stromabwärtigen Seite des Rotors öffnet, wenn der Rotor eine Stellung einnimmt, in der er die Querschnittsfläche des Ansatzrohres vermindert.
- 9. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Öffnen des Auslaßventils einen Nocken umfassen, der einen Haupt-Nockenabschnitt zum Öffnen des Auslaßventils während des
normalen Auslaßhubes und einen Hilfs-Nockenabschnitt
zum Öffnen des Auslaßventiles nahe des unteren Umkehrpunktes im Ansaughub aufweist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: GOERTZ, H., DIPL.-ING. FUCHS, J., DR.-ING. DIPL.-I |
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8125 | Change of the main classification |
Ipc: F02B 37/00 |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |