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Steuerung zur-Ladungsregelung von Viertaktbrennkraftmaschinen mit
Spülung und Aufladung Bei Viertaktbrennkraftmaschinen mit Rufladung hat sich die
Spülung der Zylinder als günstig erwiesen. Diese wird dadurch erreicht, daß zwischen
dem Ausschub- und dem Ansaughub des Kolbens, also in der Nähe des oberen Totpunktes,
die Ein- und Auslaßventile des Zylinders eine Zeitlang gleichzeitig offen gehalten
werden. Da mindestens während der Spülperiode der Abgasdruck hinter dem Auslaßventil
des Motors niedriger ist als der Druck der Aufladeluft vor dem Motor, kann bei gleichzeitig
offen gehaltenen Ein- und Auslaßventilen Spülluft durch den Zylinder strömen, die
den Kompressionsraum von Restgasen befreit und außerdem den Vorteil hat, die Wandungen
des Zylinders sehr stark zu kühlen. Besonders die Kühlung der Wandungen setzt die
Wärmebeanspruchung des Motors so stark herab, daß die Leistung höher gesteigert
werden kann, als die Steigerung des spezifischen Gewichts der Brennluft durch das
Aufladegebläse erwarten ließe.
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An und für sich ist die Spülung von Gasmaschinen
her
bekannt. Hier liegen die Verhältnisse verhältnismäßig einfach, als den Zylindern
in getrennten Leitungen sowohl das Gas als auch die Luft unter atmosphärischem Überdruck
zugeführt wird. Sowohl für das Gas als auch für die Luft sind hier auch getrennte
Einlaßventile vorhanden, deren öffnungswege so gegeneinander abgestimmt werden können,
daß beim Übergang vom Ausschub- zum Ansaughub das Gasventil geschlossen und das
Luftventil geöffnet ist. Da hier gleichzeitig das Auslaßventil geöffnet ist, findet
eine kräftige Spülung des Zylinders statt. Drosselventile sowohl in der Gaszuleitung
als auch in den Luftzuleitungen ermöglichen weiterhin eine beliebige Abstimmung
der Gas- und Luftmenge, um so die jeweils gewünschte Aufladung zu erreichen. Man
ist bei Gasmaschinen noch einen Schritt weitergegangen und hat zur Verbesserung
der Wirkung für die Spülung sogar eine besondere Druckluftleitung und ein zusätzliches,
also drittes Einlaßventil vorgesehen.
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Die von Gasmaschinen her bekannten Einrichtungen lassen sich jedoch
nicht ohne weiteres auf andereViertaktverbrennungsmotoren übertragen. Bei diesen
ist nämlich für die Frischluft oder das Gasgemisch nur eine einzige Zuleitung mit
einem einzigen Einlaßventil und einem einzigen Drosselventil vorhanden, und es wäre
natürlich sehr umständlich, wenn man auch hier für die Spülung eine besondere Luftzuleitung
mit den zusätzlich erforderlichen Einlaßventilen und Regulierdrosseln vorsehen wollte.
Andererseits ist natürlich auch bei solchen Maschinen eine intensive Spülung erwünscht,
deren Verwirklichung jedoch erhebliche Schwierigkeiten entgegenstehen.
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Bei aufgeladenen Dieselmotoren z. B. kann nämlich das Verhältnis von
Brennluftgewicht zu Brennstoffgewicht sehr veränderliche Werte annehmen. Bei höchster
Belastung des Dieselmotors darf dieses Verhältnis eine untere Grenze nicht unterschreiten.
Man kann daher, obgleich die Regelung des Motors im wesentlichen durch Einstellung
der Brennstoffpumpen vorgenommen wird, auf eine Regelung der dem Motor zugeführten
Brennluftmenge nicht ohne weiteres verzichten. Soll aber ein Dieselmotor mit Aufladung,
insbesondere dann, wenn die Auf ladegruppe von einer Abgasturbine betrieben wird,
als Flugmotor unter sehr stark veränderlichen atmosphärischen Verhältnissen arbeiten
und ist die Auf -ladegruppe so ausgelegt, daß das Gebläse den für den Betrieb in
großer Höhe notwendigen hohen Druck erzeugt, so wird bei Betrieb in Meereshöhe der
Aufladedruck zu groß sein und damit den Motor mechanisch gefährden. Man ist daher
gezwungen, den Motor durch Regelung der Brennluftmenge zu schonen. Drosselt man
jedoch in üblicher Weise die Luftzufuhr für den Ansaughub durch ein I Drosselventil
ab, so wird die Folge sein, daß auch die Luftzufuhr für die Spülung zurückgeht,
was natürlich sehr unerwünscht ist.
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Ähnlich liegen die Verhältnisse bei auf-; geladenen Benzinmotoren,
und zwar sowohl bei solchen mit Vergaser als auch mit Brennstoffeinspritzung. Auch
hier kann man wohl durch eine Drosselklappe vor oder nach dem Aufladegebläse eine
Ladungsregelung vor-, nehmen, und der Ladedruck kann durch Schließen der Drosselklappe
in der Saug-Leitung des Motors beliebig weit gesenkt werden. Würde man aber eine
solche Drosselregelung des Aufladegebläses auch bei Motoren mit Spülung anwenden,
bei denen das Einlaß- und das Auslaßventil gleichzeitig, z. B. über einen Kurbelweg
von ioo Winkelgraden und mehr, geöffnet sind, so wäre infolge des herabgesetzten
Ladedruckes nicht nur die Spülung sehr in Frage gestellt, sondern es könnte auch
ohne weiteres der Fall eintreten, daß der Abgasdruck hinter dein Motor höher steigt
als der Ladedruck, so daß nicht nur keine Spülung mehr möglich wäre, sondern die
Abgase sogar zurückfluten, so daß der Motor praktisch überhaupt nicht mehr arbeiten
könnte. Diese Gefahr besteht besonders bei Aufladegebläsen, die durch eine Abgasturbine
betrieben werden.
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Um nun diesen Schwierigkeiten zu begegnen und auch bei verändertem
Ladedruck eine einwandfreie Spülung zu ermöglichen, wurde bereits vorgeschlagen,
vor dem Einlaßv entil einen im Takte der Ventilbewegung bzw. des Kolbenhubs gesteuerten
Einlaßdrehschieber vorzusehen, durch den dem Zylinder unabhängig vom Einlaßventil
am Ende des Ansaughubes Spülluft mit erhöhtem Druck zugeführt wird. Diese Maßnahme
führt jedoch zu einem erheblichen zusätzlichen Aufwand und ist bei hohen Drehzahlen
kaum noch ausführbar. Ein weiterer Nachteil besteht noch darin, daß durch den Einlaßdrehschieber
beim Abschluß des Ansaughubes die im Zylinder befindliche Ladung bis zum Ende des
Saughubes praktisch adiabatisch expandiert und damit die Temperatur der Ladung zu
Beginn des Kompressionshubes erniedrigt wird. Dies ist besonders schädlich bei Dieselmotoren,
wo die Abkühlung so stark werden kann, daß die Kompressionstemperatur erheblich
herabgesetzt und damit sogar die Zündung in Frage gestellt wird. Aus diesen Gründen
hat auch der zusätzliche Einlaßdrehschieber bisher keinen Eingang in die Praxis
gefunden.
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Diese Mängel werden gemäß der Erfindung bei Viertaktbrennkraftmaschinen
mit Ladegebläse und nur einer Zuleitung zu jedem
Zylinder für das.
Gasgemisch oder die Frisch-- Luft dadurch vermieden, daß jedem Einlaßventil in der
Zuleitung eine Drosselklappe vorgeschaltet ist, die von Hand oder selbst-. tätig
in Abhängigkeit von irgendwelchen Betriebsgrößen zur Verminderung oder Vermehrung
der Ladung mehr oder weniger geschlossen oder geöffnet wird, sich aber nicht im
Takte der Motorkolben oder der Zylinderventile bewegt und mit dem Einlaßventil eine
Druckkammer einschließt, deren Luft- oder Gemischinhalt bei Öffnung der Zylinderventile
die Abgase aus dem Zylinder ausschiebt.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Von der Sammelleitung i für das Gasgemisch oder die Frischluft, die
von dem Aufladegebläse kommt und somit unter Druck steht, führt eine Abzweigleitung
2 zu dem Einlaßventil7, in welcher in üblicher Weise das Drosselventil 6 angeordnet
ist. Weiterhin befinden sich am Zylinder q. das Auslaßventil 8 und die Ableitung
5, welch letztere ins Freie, zu einem Abhitzekessel oder zu einer Abgasturbine führt.
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Solange das Einlaßventil geschlossen ist, also über die ganze Dauer
des Kompressionshubes, des Expansionshubes und des größten Teils des;Ausschubhubes,
kann das. Gasgemisch oder die Frischluft auch bei nahezu geschlossenem Drosselventil
6 in den Raum 3 zwischen Einlaß- und Drosselventil gelangen. Diese Zeit (11/2 Kurbelumdrehungen)
reicht somit vollständig aus, um das Gasgemisch oder die Frischluft in dem Raum
3 auf einen Druck zu bringen, der demjenigen in der Sammelleitung i oder am Aufladegebläse
entspricht. Mit der Einleitung der Spülperiode gegen Ende des Ausschubhubes durch
Öffnen des Einlaßventils 7 tritt die im Raum 3 befindliche Ladung über den Zylinder
q. und das gleichzeitig offenstehende Auslaßventil8 auf die Abgasseite'5 des Motors
über, wodurch der Kompressionsraum intensiv gespült und gekühlt wird. Die Wirkung
ist äußerst kräftig, da der Druck in der Abgasleitung 5 gerade während der Spülperiode,
also nach Beendigung des Ausschubhubes, besonders niedrig.ist. Es erfolgt daher
auch nach Expansion der im Raum 3 eingeschlossen gewesenen Ladung eine weitere,
allerdings schwächere Spülung, da dann unter dem Aufladedruck weiteres Gasgemisch
oder Frischluft über das Drosselventil 6 nachströmt.
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Der Raum 3 ist so bemessen, daß der nach der Spülung verbliebene Rest
von Gasgemisch oder Frischluft auch bei geringer Belastung des Motors nicht mehr
genügt, um die erforderliche Füllung der Zylinder zu erreichen, und es entsteht
daher während des Ansaughubes im Raum 3 ein Unterdruck. Durch mehr oder weniger
starkeÖffnung desDrosselventils ist es aber möglich, während des Ansaughubes so
viel Gasgemisch oder Frischluft in den Raum 3 nachströmen zu lassen, daß die gewünschte
Ladung trotzdem erreicht wird. Nach Beendigung des Ansaughubes wird das Ansaugventi17,
wie üblich, geschlossen, worauf der Kompressionshub, der Expansionshub und der Ausstoßhub
erfolgen.
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Während dieser ganzen Zeit hat das Gasgemisch oder die Frischluft
wieder Gelegenheit, in den vom Ansaughub her noch unter Unterdruck stehenden Raum
3 nachzuströmen, bis der in der Sammelleitung i herrschende Druck erreicht ist.
Bei Öffnung des Ansaugventils ist somit der Sammelraum 3 j wieder voll aufgeladen.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung zeichnet sich auch durch große Einfachheit
aus. Im Gegensatz zu den eingangs erwähnten Spüleinrichtungen bei Gasmaschinen und
bei der Anordnung mit gesteuertem Einlaßdrehschieber entfallen alle zusätzlichen
Teile. Es. muß bei der Ausführung nur berücksichtigt werden, daß der Raum 3 zwischen
dem Einlaßventil und dem Drosselventil so bemessen ist, daß er gerade ausreicht,
um bei Expansion des aufgespeicherten Gemisches oder der Frischluft die Abgase aus
dem Zylinder zu verdrängen. Dieser Raum darf allerdings auch nicht größer gewählt
werden, damit die nach der Spülung noch eingeschlossene Gemisch- oder Frischluftmenge
nicht ausreicht, um eine unzulässig große Aufladung zu erreichen.
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Es wurde bisher angenommen, daß jeder Zylinder eine eigene Zweigleitung
zu der Sammelleitung i besitzt. Diese an und für sich sehr vorteilhafte Anordnung
erfordert jedoch für jeden Zylinder ein besonderes Drosselventil 6. Ein Teil
der Drosselventile kann dadurch eingespart werden, indem die Ansaugleitungen mehrerer
Zylinder zusammengefaßt werden und eine für diese Zylinder gemeinsame Abzweigleitung
:2 mit nur einem Drosselventil vorgesehen wird. Es muß dann allerdings berücksichtigt
werden, daß nur solche Zylinder zusammengefaßt werden, bei -denen niemals mehrere
Einlaßventile gleichzeitig offen sind.
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Die Drosselventile aller Zweigleitungen können gemeinsam von Hand
oder selbsttätig in Abhängigkeit von irgendeiner Betriebsgröße verstellt werden.
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Die neue Steuerung zeichnet sich somit durch außerordentliche Einfachheit
aus. Es entfallen gegenüber den bisher bekannten Lösungen mit zusätzlichen Luftleitungen,
Einlaß- und Drosselventilen bei Gasmotoren oder einem von der Welle gesteuerten
Einlaßdrehschieber
bei anderen Brennkraftmaschinen alle zusätzlichen
Teile, und Störungen sind somit praktisch ausgeschlossen.