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Regelungsverfahren für Hochleistungseinspritzmotoren Es ist bekannt,
Verbrennungsmotoren, um ihre Leistung zu erhöhen, mit einem Vorverdichter auszurüsten.
Man hat auch schon vorgeschlagen, den Betriebszustand des Verbrennungsmotors, seines
Verdichters und der diesen etwa antreibenden Abgasturbine durch mechanische Vorrichtungen
gegenseitig derart zu regeln, daß Förderdruck und Fördermenge mit zunehmender Drehzahl
des Hochleistungsmotors gesteigert werden. Im Gegensatz zu solchen mechanischen
Regelvorrichtungen gibt die vorliegende Erfindung an, wie die Vorverdichtung auf
die Triebwerkmassen abgestimmt werden muß und wie diese Abstimmung durch das ganze
Drehzahlbereich aufrechterhalten werden kann, um eine ungewöhnlich hohe Leistung
je Hubvolumen erreichen zu können, ohne die empfindlichsten Teile des Motors, das
Triebwerk und vor allem das Pleuellager, wesentlich höher zu belasten, als es gewöhnlich-
schon ohne Vorverdichtung geschieht.
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Um dieses Ziel zu erreichen; soll die Vorverdichtung in der Weise
erfolgen, daß mit zunehmender Drehzahl des Motors der Verbrennungsdruck um denselben
Betrag erhöht wird, wie der auf x qcm Kolbenfläche entfallende lotrechte Massendruck
des Kolbens und der Schubstange einschließlich des lotrechten Anteils der Fliehkraft
ihres umlaufenden Teiles zunimmt. Dann gleicht die Zunahme der Massendrücke, die
ja im oberen Totpunkt nach oben gerichtet sind, die Erhöhung der abwärts gerichteten
Verbrennungsdrücke bei jeder Drehzahl aus, und die Belastung des Pleuellagers im
Verbrennungstotpunkt bleibt unverändert. Da im unteren Totpunkt die auf das Pleuellager
wirkenden Gasdrücke und Massendrücke gleichgerichtet sind, wird man die Erhöhung
der Vorverdichtung bzw. der Drehzahl natürlich nur so weit treiben, bis die Summe
dieser beiden Drücke im unteren Totpunkt etwa ebenso hoch wird wie ihre unterschiedlichen
Drücke im oberen Totpunkt. An den Diagrammen (Abb. z bis 3), die maßstäblich für
drei verschiedene Drehzahlen eines gegebenen Zweitaktmotors den gewünschten Ausgleich
darstellen, soll gezeigt werden, daß eine entsprechende Erhöhung des Verbrennungsdruckes
möglich und wie sie durchzuführen ist.
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Die Gasdrücke sind hier als absolute Drücke von P = o aus aufgetragen,
um auch dem Auge zu zeigen, daß-sie bei steigender Drehzahl proportional mit dem
absoluten Anfangsdruck des Diagramms, d. h. mit dem Spüldruckpi,wachsen, wenn man
zunächst annimmt, daß der Verbrennungscharakter und der Wirkungsgrad des Motors
trotz der Aufladung unverändert bleiben. Da aber für das Pleuellager nur die Gasüberdrücke
fühlbar werden, so sind die Beschleunigungsdrücke Pb von P = z ab aufgetragen, und
zwar --nach oben, soweit sie den Gasüberdrücken entgegenwirken und deshalb von ihnen
abzuziehen sind, nach unten, soweit sie, weil gleichgerichtet, den Gasüberdrücken
hinzuzurechnen sind. Dann wird die pb-Kurve zur Nulllinie, von der aus man die fühlbare
Belastung des Pleuellagers unmittelbar abgreifen kann. In allen drei Diagrammen
bezeichnet P.., den
höchsten absoluten Verbrennungsdruck, Pbo,den
Beschleunigurgsdruck im oberen, pb" denjenigen im unteren Totpunkt, Pl ü den Spülüberdruck.
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Dann ist po = (P."- z) -Pbo die fühlbare Pleuellagerbelastung, die
nach der Absicht dieser Erfindung trotz Aufladung gleich- oder nahezu gleichbleiben
soll, dadurch, daß man mit steigender Drehzahl eine Steigerung des Verbrennungsdruckes
gerade um Pbo zustande bringt.
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Zugrunde liegt, daß der Motor bei ganz geringer Drehzahl ohne Aufladung
einen absoluten Spüldruck P, = z entsprechend p,;-, = o und einen absolutenVerbrennungsdruckpn,ax
=35ata hat. Um den vollständigen Ausgleich der zusätzlichen Verbrennungsdrücke durch
die Beschleunigungsdrücke zu erreichen, müßte also 15, stets 34 atm betragen, d.
h. (Pmax- z) -Pbo = 34 oder Pmax - 35 = $bo. Nun wird aber stets, weil alle Diagramme
affin sind P",aX = 35$i ; hieraus folgt: Pmax-35 = 35$i-35 = 35Piü Wenn also die
Forderung PmaX-35 =Pbo erfüllt werden soll, so muß man dafür sorgen, daß Pbo - 35
$i=, Das ist ausführbar, und zwar dadurch, daß man für irgendeine Drehzahl p,
ü = macht und es ebenso wie Pb o mit dem Quadrat
derMotordrehzahlsteigert. DieseDruck-Steigerung an sich macht keine sonderlichen
Schwierigkeiten, da der FörderdruckvonKreisel» verdichtern mit dem Quadrat der Drehzahl
ansteigt. Wohl aber sind besondere Mittel aufzuwenden, um auch die auf der Druckseite
gemessene Luftmenge den vermehrten Hüben des Motors anzupassen. Mit der gewöhnlichen
Regelung des Saugquerschnittes des Turboverdichters ist hier im allgemeinen der
hohen Drosselverluste wegen nicht mehr auszukommen. Man muß hier nötigenfalls den
Verdichter mit biegsamen Schaufeln nach Abb.4 ausrüsten, die zunächst radial stehen
und sich mit zunehmender Drehzahl unter der Wirkung des Schaufeldruckes zurückbiegen,
so daß die absolute Austrittsgeschwindigkeit kleiner, die relative Austrittsgeschwindigkeit
dagegen größer wird und sich so die Liefermenge auf Kosten des Förderdruckes vergrößert.
Um die Einbuße an Förderdruck auszugleichen, kann man dann die Drehzahl des Verdichters
in stärkerem Verhältnis steigern als die des Motors. Zu diesem Zwecke wählt man
als Verdichterantrieb eine Abgasturbine, deren Drehzahl, wie bekannt, nicht so sehr
mit-der Drehzahl des Motors als vielmehr mit der von ihm gelieferten Auspuffenergie
steigt, oder man schaltet zwischen Motor und Getriebe ein Wechselgetriebe, das es
erlaubt, das Übersetzungsverhältnis zu verändern. Schließlich ist es auch möglich,
neben diesen oder anstatt dieser Mittel mit steigender Motordrehzahl neue Verdichterstufen
hinzuzuschalten, und zwar parallel, wenn hauptsächlich die Liefermenge gesteigert
werden soll, dagegen hinter oder vor die bisherigen Stufen, wenn es sich besonders
um Steigerung des Förderdruckes handelt.
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Um nun diesen Ausgleich der Gasdrücke durch die Massenkräfte bis zu
möglichst hohen Drehzahlen ausnutzen zu können, ohne die Teile des Motors zu hoch
zu beanspruchen, die den vollen Gasdruck aushalten müssen, wie die Zylinderköpfe
und die Kolbenböden, soll hilfsweise durch besondere Maßnahmen das Verdichtungsverhältnis
des Motors niedrig gehalten werden, indem in an sich bekannter Weise bei geringer
Drehzahl und schwacher Vorverdichtung, insbesondere aber beim Anlassen die nötige
Zündtemperatur durch starkes Vorheizen der Luft gesichert wird.
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In Abb.5 ist ein Ausführungsbeispiel eines der vorliegenden Erfindung
entsprechenden Motors schematisch dargestellt. a ist der Motor, b die Auspuff-,
c die Ansauge- bzw. Aufladeleitung. Während der Motor elektrisch oder mit Preßluft
angelassen wird, wird die angesaugte Luft durch die Heizvorrichtung d stark vorgewärmt,
auch erfolgt gegebenenfalls die Einspritzung schlagartig; um mit möglichst geringem
Verdichtungsverhältnis sichere Selbstzündung und einwandfreie Verbrennung zu erzielen.
Der Schieber f ist zunächst geöffnet, das Getriebe g ist so geschaltet, daß der
mechanisch angetriebene Verdichter lz nicht mitläuft. Dagegen setzen die Auspuffgase
schon nach den ersten Zündungen des Motors die Abgasturbine ä in Umdrehung, die
den Verdichter k antreibt. Dieser liefert dem Motor daher schon sehr bald so weit
vorverdichtete Luft, daß die Heizvorrichtung d abgestellt werden kann.
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Während sich der Motor weiter beschleunigt, erhöht sich zunächst,
wenn die Charakteristik der Turbine i und des Verdichters k passend gewählt und
dieser z. B. nach Abb. 4 mit biegsamen Schaufeln ausgerüstet ist, der Förderdruck
und die Fördermenge in der Aufladeleitung c in dem Maße, daß die zusätzlichen Verbrennungsdrücke
die wachsenden vertikalen Massendrücke ausgleichen. Wenn dieser Ausgleich dann aber
bei weiterer Drehzahlsteigerung unvollständig wird, weil der Druck oder die Menge
der Aufladeluft nicht mehr ausreicht, so wird über das Wechselgetriebe g der Verdichter
h in Gang gesetzt und der Schieber f
geschlossen. Wenn nach einer weiteren
Drehzahlsteigerung des Motors der Ausgleich zwischen Gasdrücken und Massendrücken
abermals unvollständig wird, so wird mittels des Wechselgetriebes g das Übersetzungsverhältnis
zwischen Motor a und Verdichter k vergrößert. Da sich Fait der Abgasenergie auch
die Leistung der Abgasturbine stark vergrößert, so kommt das Wechselgetriebe g mit
wenigen Stufen aus. Um bei höheren Vorverdichtungsgraden die Luft in bekannter Weise
zwischenkühlen zu können,
sind die Kühler nz und L vorgesehen.
Abb. 5 stellt die Verdichter 7a und k beispielsweise hintereinandergeschaltet dar.
Für andere Betriebsverhältnisse kann es vorteilhaft sein, die Verdichter parallel
zu schalten oder durch entsprechende Schaltorgane beide Schaltmöglichkeiten vorzusehen.
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Obwohl, wie bewiesen wurde, ein mathematisch genauer Ausgleich der
zusätzlichen Verbrennungsdrücke durch die Massendrücke möglich ist, entspricht es
schon dem Grundgedanken dieser Erfindung, wenn zur Vereinfachung der Herstellung
oder des Betriebes die Steigerung der zusätzlichen Verbrennungsdrücke in Anlehnung
an das Wachsen der Massenkräfte, d. h. angenähert proportional zu der Zunahme der
mit dem Quadrat der Drehzahl sich ändernden Massenkräfte erfolgt.
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Besondere Vorteile bietet die vorliegende Erfindung für Wasserfahrzeuge,
da diese das hohe Beschleunigungsvermögen, das man bei Landfahrzeugen für das schnelle
Anfahren anstrebt und beispielsweise durch Vorverdichtung der Luft erreichen kann,
bei minderer Drehzahl leicht entbehren können, während für die volle Fahrt das höchste
Drehmoment verlangt wird.