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Zusatzregelung für Brennliraftmaschinen Bei Brennkraftmaschinen besteht
die Hauptaufgabe darin, einen möglichst niedrigen Brennstoffverbrauch zu erzielen.
Es soll dabei der Quotient Brennstoffverbrauch/Leistung möglichst ein Minimum sein.
Der Brennstoffverbrauch für die Leistungseinheit ist außer von der Art des Arbeitsverfahrens
abhängig von der Einstellung der Steuerorgane. Bei der Ölmaschine z. B. spielt der
Einspritzzeitpunkt und der Einspritzdruck des Öles eine wesentliche Rolle. Biei
Gas- und Vergasermaschinen ist z. B. die Zusammensetzung des Gemisches, der Zündzeitpunkt
von Bedeutung.
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In den meisten Fällen ist mit dem geringsten Brennstoffverbrauch auch
ein betriebssicherer und ruhiger Gang der Maschine gewährleistet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wirkt nun eine Vorrichtung, durch
die der Quotient Brennstoffverbrauch/Leistung gemessen wird, auf die Steuerung ein
und verstellt sie derart, daß dieser Quotient ein Minimum wird. Bei der Ölmaschine
wird z. B. diese Vorrichtung den öleinspritzzeitpunkt, bei: der Gasmaschine den
Zündzeitpunkt oder die Gemischzusammensetzung, beim Benzinmotor den Düsenquerschnitt
des Vergasers, den Ansaugeluftquerschnitt oder den Verdichtungsgrad beeinflussen.
Eine Ausführung dieser Erfindung besteht darin, die Steuerdaten eines Steuerteiles
nach bestimmten Zeiträumen durch ein Zusatzregel-Organ periodisch zu verändern,
z. B. den Zündzeitpunkt mehr oder weniger auf Früh-oder Spätzündung zu verschieben.
Dabei ändert sich auch, gleichbleibende Belastung vorausgesetzt, der Brennstoffverbrauch;
er wird bei einer bestimmten Stellung ein Minimum sein. Nun wird jedesmal die Bewegung
des Steuerteiles dann für einige Zeit unterbrochen, wenn der Brennstoffverbrauch
ein Minimum ist. Vorausgesetzt ist dabei, daß innerhalb der Verstellungsperioden
des Steuerteiles durch das Zusatzregelorgan und unabhängig davon der normale; Maschinenregler
die Brennstoffzufuhr so einstellt, daß die Leistung aufrechterhalten wird, und ferner,
daß die vom Regler bewirkte Einwirkung auf die Steuerteile anders geartet ist als
dile Einwirkung des Zusatzregelorgans. Nachdem für einige Zeit der Zündzeitpunkt
in dieser Stellung festgehalten ist, beginnt das Spiel des Einstellens und Abtastens
von neuem.
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Bei der Gasmaschine würde man z. B. durch das Zusatzregelorgan das
Mischungsverltältnis von Gas zu Luft, durch den Maschinenregler die Gaszufuhr unter
Aufrechterhaltung des Verdichtungsgrades oder auch
die Gesamtgemischzufuhr
unter Änderung des Verdichtungsgrades beeinflussen. Wirkt beispielsweise der Maschinenregler
nur auf das Gasventil und läßt das Zusatzregelorgan den Luftschieber hin und her
wandern, so wird dadurch der Gasverbrauch in der Zeiteinheit und also auch, da der
Maschinenregler die Leistung gleichbleibend erhält, der spezifische Gasverbrauch
geändert. Es wird nun, durch später anzugebende Mittel, der Luftschieber in derjenigen
Lage festgehalten, in der der Gasverbrauch am geringsten ist. Damit ist auch die
günstigste Gemischzusammensetzung gefunden.
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Ganz besonders hat diese Erfindung für Gasmaschinen Bedeutung. Der
Gasverbrauch von Gasmotoren konnte bisher dadurch in unerwünschter Weise ansteigen,
daß das Gemisch für die günstige Brenngeschwindigkeit und für den geringsten Gasverbrauch
nicht die richtige Zusammensetzung aufwies. Auch wenn das Mischungsverhältnis durch
Einstellen von Hand bzw. durch genaue Abmessung der regelnden Teile für eine bestimmte
Gaszusammensetzung das beste war, erfuhr es bei ungewollter Änderung des Gaszustandes
(Heizwert, Druck, Temperatur) eine nicht ohne weiteres bemerkbare Änderung. Dadurch
waren neben erhöhtem Gasverbrauch auch: Schädigungen des Motors nicht ausgeschlossen,
indem eine ungünstige .Verbrennung eine Überhitzung des Motors zur Folge hatte;
bei einem zu schwach werdenden Gemisch traten Fehlzündungen und Knaller auf.
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In folgendem wird ein besonders geartetes Ausführungsbeispiel des
obigen Erfindungsgedankens beschrieben, bei dem das zusätzliche Regelorgan in Abhängigkeit
vom spezifischen Gasverbrauch auf die Gemischbildung, d. h. auf die Gas- und Luftansangequerschnitte,
einwirkt. Der jeweilige Gasverbrauch in der Zeiteinheit, der gleichzeitig bei gleichbleibender
Belastung dem spezifischen Gasverbrauch entspricht, kann durch dynamischen Druck
mit Hilfe einer Membrane, durch Verwendung einer Stauscheibe, eines Venturirohres
oder durch einen Schwimmer angezeigt und auf ein Verstellg12ed wirksam gemacht werden.
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Der Luftschieber macht nun um einen bestimmten Mittelpunkt :eine langsam
hin und her gehende Bewegung. Nehmen wir an, daß bei Bewegung in der einen Richtung,
z. B. nach links, der Gasverbrauch, immer gleichbleibende Leistung vorausgesetzt,
sich vergrößert, so wird durch das vom Gasverbrauch abhängige Verstellglied die
Weiterbiewegung des Luftschiebers in der eingeschlagenen Richtung, die wir als »ungünstige
Bewegungsrichtung« bezeichnen wollen, gehemmt. Bewegt er sich alsdann nach Bewegungs,
umkehr in der anderen Richtung, also im vorliegenden Falle nach rechts, in der sich
also der Gasverbrauch nach der obigen Annahme verringern muJ3 und die wir also als
»günstige Bewegungsrichtung« bezeichnen, so findet kein Eingriff des Verstellgliedes
in die Weiterbewegung des Luftschiebers statt. Indem also der hin und her wandernde
Luftschieber in der für den Gasverbrauch ungünstigen Bewegungsrichtung gehemmt,
in der günstigsten nicht gehemmt wird, wandert der Schwingungsmittelpunkt, um den
der Luftschieber ausschlägt, langsam in der Richtung günstigeren Gasverbrauches.
Durch Einwirkung des Gasverbrauches läßt sich damit das günstigste Mischungsverhältnis
von Luft und Gas selbsttätig einstellen.
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Die hin und hier gehende Bewegung des Luftschiebers kann mit Hilfe
einer Druckflüssigkeit vor sich gehen, deren Strömungsrichtung durch einen Drehschieber
gesteuert wird. Dabei wird die Strömung -der Flüssigkeit bei zunehmendem Gasverbrauch
abgedrosselt oder unterbrochen, bei abnehmendem Gasverbrauch gleichgelassen oder
vermehrt.
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In den Abbildungen ist eine derartige Ausführung schematisch dargestellt.
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In Abb. i ist der gesamte Zusammenbau der Gemischregelung bei Bewegung
der Steuerorgane nach rechts, in Abb. z die Stellung des Drehschiebers im Augenblick
der Ölumschaltung zu ,ersehen, in Abb.3 die Stellung der Steuerorgane bei Bewegung
des Luftschiebers nach links, in Abb. q. eine besondere Ausführung von Gas- und
Luftschieber, in Abb. 5 ein Schnitt durch den Luftschieber der Abb. q..
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In Abb. i ist a die zum Motor führende Gasleitung, b die Luftleitung.
Das Gemischverhältnis wird durch den Gasschieber c und den Luftschieber d eingestellt.
Gas- und Luftschieber werden vom Drehzahlregler des Motors mittels des Gestängese
gemeinsam verstellt. Durch den Zylinder f und Üen Kolben g ist der Luftschieber
relativ zum Gestänge e verschiebbar. Er ist mit dem Gestänge hydraulisch gekuppelt.
Die Druckflüssigkeit, im vorliegenden Falle Öl, fließt durch die bewegliche Schlauchleitung
h dem Zylinder f zu und durch die Schlauchleitung i ab. Im vorliegenden Fall des
Ölflusses wandert der Luftschieber relativ zum Ge- j stänge nach rechts. Die Strömung
des Öles in den Leitungen! und h wird durch den ölsteuerschieber h gesteuert. Das
Öl wird durch die Zahnradpumpe l gefördert. In der Druckleitung m der i Zahnradpumpe
befindet sich das überlauf-und Druckeinstellventil h, durch das das Öl
in
die Ablaufleitung o zurückfließen kann. Durch die Leitung m fließt das Öl zum Ölentspannungsschieber
p. Durch diesen Schieber wird eine Verbindung durch die Bohrungeng zwischen der
Druckleitungr und der Ablaufleitung s hergestellt. Der Ölentspannungsschieber dreht
sich langsam, z. B. in der Minute einmal, mit dem ölsteuerschi:eber in gleichem
Drehsinn und mit gleicher Geschwindigkeit, wobei beide Schieber auf der gleichen
Welle fest miteinander gekuppelt sind. Der Antrieb der Schieber kann durch die Steuerwelle
erfolgen. Durch die Leitung r gelangt das Öl zum Gemischregler t.
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Der Gemischregler wird durch die Liefermenge des Gases beeinflußt.
Zu diesem Zweck ist die Gasleitung a als Venturirohr u
ausgebildet.
Die Druckdifferenz zwischen dem weitesten und engsten Querschnitt wirkt mittels
der Leitungen v und w auf den Membrankolbenx ein. Der Membrankolben ist durch eine
leicht bewegliche Ledermembrane y nach außen abgedichtet. Der Membrankolben ist
mit dem Steuerrohr z fest verbunden. Das Steuerrohr ist unten druckdicht abgeschlossen
und durch eine Feder o, gegen -den Differenzdruck im Gasventurirohr nach oben belastet.
Auf dem Steuerrohr z sitzt der Mitla:ufschieberal. Das Öl, das durch die Leitungr
in den Gemischregler gelangt, fließt durch die Öffnung b, in das Innere des Steuerrohres
z. Das Steuerrohr besitzt die Öffnungen cl, die sich mit den Öffnungen dl des Mitlaufschilebers
a1 überschneiden. Durch die miteinander in Verbindung stehenden Öffnungen cl und
dl hergestellte Durchflußöffnung p1 kann das Öl in den Ringraum f1 und von: diesem
in die Ölleitung g1 gelangen. Im Innern des Steuerrohres z befindet sich der federbelastete
Rück'holkolbenhl, der sich, wenn sich das Steuerrohr unter Öldruck befindet, nach
oben gegen den Zapfen!, anlegt. Wird das Innere des Gemischreglers durch die Leitung
r und den Entlastungsschieber p vom Öldruck entlastet, so geht der Rückholkolben
hl im Steuerrohr durch Federdruck nach unten und schiebt den fest mit dem Mitlaufschieber
a1 verbundenen Stift k1 nach unten, bis sich letzterer an den unteren Rand der Öffnungen
b1 anlegt. Das Innere des Gemischreglers ist weiterhin durch hie Leitung ll mit
dem feid'erbelasteten Festhaltedaumen ml verbunden, der, solange das Öl unter Druck
steht, durch den Öldruck gegen den Mitlaufschieber a1 gedrückt wird und diesen festhält.
Wird der Gemischregler vom Öldruck entlastet, so geht der Festhaltedaumen ml nach
links und gibt den Mitlaufschieber frei.
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Das vom Gemischregler durch die Leitung g1 abfließende Öl gelangt
zu dem sich langsam drehenden ölsteuerschieber k. In der gezeichneten Stellung des
Ölsteuerschieb-ers k ist die Leitung g 1 mit der Leitung h und die Leitung i mit
der Ölabflußtung itl verbunden.
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Die Wirkungsweise der ganzen Anordnung ist gemäß Abb. i die folgende
Es wird gleichbleibende Leistung der Maschine vorausgesetzt. Das Öl strömt von der
Zahnradpumpe zum Entlastungsschieber g, von hier durch die Leitung r zum Gemischregler
i, vom Gemischregler zum Ölsteuerschieber k, von hier durch die Leitung lt
zum Zylinder f des Luftschiebers. Der Luftschieber wandert dabei nach rechts.
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Im Gemischregler, dessen Inneres unter dein Druck des durchfließenden
Öles steht, hat sich durch. den Öldruck der Rüokhollkolbenkl im Steuerrohrz nach
oben gelegt und damit den Stift k1 samt dem Mitlaufschieber a1 freigegeben. Gleichzeitig
wird durch den Öldruck der Festhaltedaumen ml nach rechts gegen den 1Vlitlaufschi:eber
gedrückt und hält diesen in seiner Stellung fest. Das Steuerrohr kann sich nun mit
dem Membrankolben zusammen unbehindert ein Stück nach abwärts bewegen. Bewegt sich
der Membrankolben mit dem Steuerrohr abwärts, so wird, da der 1\Etlaufschieber a1
ja durch den Festhaltedaumen festgehalten ist, die überschneidung p1 der beiden
Öffnungen cl im Steuerrohr und dl im Mitlaufschieber verringert und damit der Durchflußquerschnitt
des Öles verkleinert oder ganz abgeschlossen, der Ölstrom also unterbrochen.
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In Abb. i wandert, wie oben betont, der Luftschieber nach reichts.
Dabei wird der Luftquerschnitt der Luftleitung b größer und der Luftanteil am Gasgemisch
vermehrt sich. Bedeutet nun die Luftvermehrung im Gemisch eine Verschlechterung,
so wird sich der Gasverbrauch des Motors erhöhen und es wird mehr Gas angesaugt;
dabei ändert sich auch die Gasges,chwindilgkeit im Venturirohr, der Diffexenzdruck
in Leitung v und w wird größer. Der Druck auf denn MembrankoIben nimmt zu. Er bewegt
sich gegen den Druck der Feder o1 nach, unten und schließt die Durchfllußöffnung
p1 des Öles ab. Der Ölstrom wird also unterbrochen, ebenso die Bewegung des Luftschiebers
d.
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Inzwischen dreht sich bei unterbrochenem Ölstrom der ölumsteuerschieber
k und der Entlastungsschieber p im gezeichneten Pfeilsinn ruhig weiter. Sie gelangen
in die Stellung der Abb. z.
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In Abb. z wird im Augenblick -des Umsteuerns des Ölstromes durch den
Entlastungsschieber p die Leitung r zum Gemischregler mittels der Bohrung q entlastet.
Im Gemischregler tritt ebenfalls eine Entlastung des Öldrucks ein. Der Festhaltedaumen
bewegt
sich durch den Federdruck nach links und gibt den Mitlaufschieber a1 frei. Ebenso
bewegt sich durch die Federspannung der Rückholkolb.enhl nach unten, drückt mittels
des Stiftes hl den -Mitlaufschieber nach unten und stellt wieder den-alten - Durchflußquerschnitt
pi ein. -Nunmehr wandert der ölumsteuerschieber h und der Entlastungsschieber p
in die StellunZ der Abb. 3. Der Ölstrom kann nun wieder ununterbrochen von der-
Zähnradpump,e durch den Entlastungsschieber und durch den. Gemischregler zum ölumsteuerschieber
fließen, und zwar ist durch letzteren die Leitung g, vom Gemischregler jetzt- mit
der Leitung i und die Leitung lt mit der Ablaufleitung n, verbunden. Der Luftschieber
wandert nun relativ zum Gestänge nach links und -vermindert dadurch den Luftquerschnitt
und den Luftanteil. -im Gemisch. Wird dadurch -die Gemischzusammensetzung günstiger,
so wird der Gasverbrauch geringer, und'die Geschwindigkeit des Gases im Ventuxirohr
u nimmt ab. Dadurch verringert sich auch dessen Differenzdruck, der Membrankolben
ist weniger belastet. Das mit ihm verbundene Steuerrohr ist in der Bewegungsrichtung
näch oben. durch den llZitlaufschieber a1 mittels des Stiftes hl festgehalten. Der
Durchftußquer-. schnitt p1 zwischen Steuerrohr und Mitlaufschieb-er bleibt erhalten,
der Durchfluß des Öles ist nicht behindert, .der Luftschieber kann ungehindert in
der für den-Gasverbrauch günstigen Bewegungsrichtung weiterlaufen.
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Nach einiger Zeit wird der- Ölstrom wieder umgeschaltet und die Ölführung:
für den Luft-. schiebe, gemäß Abb. i gesteuert. Im Augenblick des Umsteuerns wird-.durch-
-den Entlastungsschieber der Gemischregler vom Öl= druck entlastet. Gibt dabei der
Festhalte= daumen den Mitlaufschieber frei, so, kann sich vier Membrankolben und
das Steuerrohr in seiner neuen Lage entsprechend des verminderten Differenzdruckes
im Venturirahr, nach oben einstellen, wobei der Miflaufschieber bei niedergegangenem
Rückhulkolben mit nach oben genommen wird.
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Der Durchflußquerschnitt zwis-chen-Steuerrohr und Mitlaufschieber
ist jedesmal nach dem -Umsteuern des Ölstromes wieder derselbe.
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Indem jedesmal nach dem Umsteuern im Gemischregler der alte Durchflußquerschnitt
des Öles durch die Rückholvörrichtung, bestehend aus Mitlaufschieberund Rückholkolben,
wiederhergestellt wird, . kann im Gemischregler festgestellt::vverdeh, ob. der Gasverbrauch
zu- oder abnimmt. Beim zunehmendem Gasverbrauch wird der -Dür:chfiußquerschnitt
verkleinert oder abgeschlossen, bei scli verringerndem Gas bleibt er-gleich.. -Er
kann natürlich auch. bei abnehmendem Gasver-' brauch vergrößert werden, wodurch
die Bewegung des Luftschiebers beschleunigt wird.
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Im Gemischregler selbst tritt keine Messung des Gasverbrauches ein,
sondern es wird nur festgestellt, ob der Gasverbrauch zu- oder abnimmt.
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Der Druck und die Durchflußquerschnitte des Öles sind so eingestellt,
daß der Luftschieb.er relativ zum Gestänge nur ein kleines Stück hin und her wandert,
beispielsweise 5 oder io mm. Er wird also nicht bei einem einzigen Ausschlag über
seinen ganzen relativen Verstellbereich verschoben. Indem die Ausschläge nach der
ungünstigsten Seite verringert, dieselben aber nach der günstigste Seite gleichbleiben,
wandert der Luftschieber in die günstigste -Lage, um die er nachher gleichmäßig
hin und her pendelt. Ändert sich der Druck oder der Heizwert des Gases, so wird
er entsprechend den neuen Verhältnissen in eine neue Lage des günstigsten Gasverbrauches
wandern.
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Dadurch, daß der Luftschieber hydraulisch mit dem Reglergestänge verbunden
ist, verschiebt er sich bei einer Änderung der Leistung des Motors durch den Eingriff
des Reglers gleichzeitig - mit dem Gasschieber. Wenn- sich z. B. die Leistung erhöht,
vergrößert-unbehindert der Gasschieber den Gasquerschnitt und der Luftschieber den
Luftquerschnitt. Wenn die neue Leistung erreicht- ist, wird der- Luftschieber in
der neuen Stellung wiederum versuchen, sich in die günstigste Lage einzuspielen.
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In Abb. q. ist eine anders geartete Anordnung von Gas- und Luftschieber
gezeichnet; g, ist die Gasleitung, Y1 die Luftleitung, s1 die Gemischleitung, die
zur Maschine führt. 't1 ist der Gasschieber, u_, der Luftschieber; Gas- und Luftschieber
werden durch das Gestänge v1 vom Drehzahlregler verstellt.
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Der Luftschieber ist in seinem oberen Teil mit Schildern w1 (s. auch
Abb. 5) versehen, die die Luftansaugeöffnungen x1 mehr oder weniger verdecken. In
Abb. 5 ist ein Schnitt a-b durch die Luftansaugeöffnungen xl und die Abdeckungsschilder
w1 dargestellt. Wird nun durch den Hebel y1 der Luft- und Gass 'hieber c verdrelit,
so überdecken, die Schilder i am Luftschieber mehr oder weniger -die Luftöffnungen,
so daß sich der Luftquerschnitt ändert. Der Gasquerschnitt bleibt daher derselbe;
damit ändert sich auch die Gemischzusammensetzung. Es läßt sich also durch Ver-
i drehüng von Gas- und Luftschieber die Gemischzusammensetzung ändern. Die Einstellung
für eine bestimmte Leistung geschieht durch Aufundabbewegung . mittels des Gestänges
vi durch den Drehzahlregler.
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Der Erfindung gemäß geschieht nun die Verdrehung tion-Gas-_.und-Lüftschi:eber
.durch
den Kolben zI, der durch Drucköl, :das durch die Leitung
a- und b. zu- und abfließt, 'hin und 'her bewegt wird. Verläuft die Verdrehung in
ungünstigem Sinne, d. h. wird der Gasverbrauch größer, so wird durch den Gemischregler
(s. Abb. i) der Ölstrom unterbrochen. Dadurch dreht sich der Luftschieber in die
günstigste Lage und stellt das günstigste Gemisch ein.
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Die in Abb. i und q. beschriebenen Ausführungen :einer selbsttätigen
Gemischsteuerung überlassen es also der Maschine selbst, sich das richtige Gemischverhältnis
einzustellen.
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Die Frage, ob man die Maschinen am besten mit Füllungs- oder Mischungsregelung
ausführt, oder ob man bei gewissen Belastungsstufen neben der Füllung eine Mischungsregelung
einführen muß, scheidet daher völlig aus. Allemal ist durch das Zusammenwirken des
Maschinenreglers mit dem Zusatzregler erreichst, daß die Maschine eine Ladung erhält,
welche -einerseits der jeweiligen Belastung entspricht, andererseits so zusammengesetzt
ist, daß der Gasverbrauch. so gering als möglich ist. Auch finden die beiden sich
widersprechenden Faktoren eines großen und kleinen Luftübersch#uss-es, wo bei großem
Luftüberschuß wohl die Wärmeverluste an die Zylinderwandung infolge verringerter
Höchsttemperatur vermindert, dabei aber wieder die Verbrennungsgeschwindigkeit verlangsamt
wird, von selbst den richtigen Ausgleich.