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Pneumatische Steuerung des Brenngas-Einlasses eines Zweitaktgasmotors
Bei Zweitaktgasmotoren ist es bekannt, das Brenngas getrennt von der Spül- und Brennluft
während des Verdichtungshubes nach dem Abschluß des Spüllufteinlasses und des Abgasauslasses
über ein gesteuertes Einlaßglied (in der Regel ein Ventil) in den Motorarbeitsraum
einzuführen. Hierbei: muß das diesem Einlaßglied zuströmende Brenngas unter einem
Druck stehen, der höher ist als der während der Gaszufuhr zum Motorarbeitsraum in
diesem herrschende Verdichtungsdruck. Das Brenngas muß also einem unter entsprechend
hohem Druck stehenden Vorrat entnommen oder mittels einer besonderen Pumpe auf den
zu seiner Einführung erforderlichen Druck verdichtet werden. Es ist weiterhin bekannt,
für ein solches Brenngaseinlaßglied eine pneumatische Steuerung vorzusehen. Hierbei
ist zur Erzeugung eines im Arbeitstakte des Motors sich ändernden Druckes des Steuergases
an der im Gleichtakt mit der Motorkolbenbewegung arbeitenden Spülluftpumpe des Motors
ein besonderer Raum vorgesehen, der durch einen die Be--,vegung des Spülpumpenkolbens
mitmachenden Kolben gegen Ende des Auswärtshubes des Motorkolbens vom Spülpumpenarbeitsraum
abgeschnürt wird, so, daß der Druck in diesem abgeschnürten Raum während des restlichen
Auswärtshubes rasch ansteigt, um beim
anschließenden Motorkolbeneinwärtshub
in entsprechender Weise wieder abzusinken. Auf das als Ventil ausgebildete Gaseinlaßglied
wirkt der Brenngasdruck ständig im Üffnungssinne, der im Motorarbeitsraum herrschende
Druck im Schließsinne und auf ein mit diesem Ventil verbundenes Kraftglied der im
abschnürbaren Raum herrschende Druck gleichfalls im Schließsinne. Dies hat zur Folge,
daß der Gaseinlaß nur dann geöffnet wird, wenn die Summe der Kräfte des im Motorarbeitsraum
und des im abschnürbaren Raum herrschenden Druckes die Kraft des Brenngasdruckes
unterschreitet. Dies ist bald nach Beginn des Motorkolbeneinwärtshubes der Fall,
da zu diesem Zeitpunkt der im Motorarbeitsraum herrschende Verdichtungsdruck noch
nicht hoch angestiegen und der Druck im abschnürbaren Raum schon wieder stark abgesunken
ist.
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Eine solche Brenngaseinlaßsteuerüng hat den _Nachteil, daß sie die
Anordnung des besonderen, vom Spülpumpenarbeitsraum abschnürbaren Raumes und des
in diesen eintretenden Kolbens, also eine von der Regelbauart abweichende, umständlichere
Ausgestaltung der .Maschine erfordert. Dieser Umstand steht der Anwendung dieser
Einrichtung vor allem dann hinderlich im Wege. -wenn ein bisher mit flüssigem Brennstoff
betriebener Zweitaktmotor auf den Betrieb mit gasförmigem Brennstoff umgestellt
und zu dem Zweck mit einem gesteuerten Brenngaseinlaßglied versehen werden soll.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer pneumatischen Brenn gaseinlaßsteuerung,
die sich durch große Einfachheit auszeichnet und vor allem keine von der Regelbauart
ab---eichende Sonderausgestaltung der Maschine erfordert, die daher auch nachträglich
leicht an solche Zweitaktmotoren angebaut werden kann, die bisher mit flüssigen
Brennstoffen betrieben wurden.
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Beim Erfindungsgegenstand ist das Brenngaseinlaßventil, welches während
des Verdichtungshubes nach dem Abschluß des Spüllufteinlasses und des Abgasauslasses
geöffnet werden soll, in der bekannten Weise im einen Verstellsinne durch eine ständig
wirksame Kraft bestimmter Größe belastet und ferner mit einem die bewegliche Wand
einer Kammer bildenden Kraftglied verbunden, auf das ein sieh periodisch ändernder
Gasdruck einwirkt, dessen Kraft der ständig wirkenden Kraft entgegengerichtet ist
und diese abwechselnd über- und unterschreitet. Erfindungsgemäß werden nun bei einem
Zweitaktmotor mit einer im Gleichtakt zur Motorkolbenbewegung arbeitenden Spülluftpumpe
die im Arbeitsraum dieser Spülpumpe auftretenden Druckänderungen zur Steuerung des
Brenngaseinlaßventils benutzt, indem diese Druckänderungen auf das erwähnte Kraftglied
übertragen werden. Zu dem Zweck wird die Kra.ftgliedkammer mittels einer ständig
offenen Leitung mit dem Arbeitsraum der Spülluftpumpe verbunden.
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Die das Brenngaseinlaßventil im einen Verstellsinne belastende, ständig
wirksame Kraft kann eine Federkraft sein oder vom Druck des Brenngases oder von
dein im Motorarbeitsraum herrschenden Druck herrühren; sie kann sich auch aus mehreren
solchen Einzelkräften zusammensetzen. Zweckmäßig wird diese Kraft wenigstens angenähert
konstant gehalten: dies ist jedoch nicht uribedingt erforderlich, nötig ist nur,
daß etwaige Änderungen nach einer bestimmten Gesetzmäßigkeit erfolgen, weil es sich
auch dann ohne weiteres erreichen läßt, daß ein das Öffnen des Brenngaseinlaßventils
bewirkendes über- oder Unterschreiten dieser Kraft durch die vom Spülluftpumpendruck
herrührende Gegenkraft wenigstens angenähert immer an der gleichen Stelle des Arbeitskolbenweges
stattfindet. da.ß also die Steuerung des Gaseinlasses ordnungsgemäß erfolgt. Günstig
für die Erzielung der richtigen Steuerungsweise wirkt hierbei der Umstand, daß die
Gesetzmäßigkeit der Änderungen der Kraft des Spülluftpumpendruckes von der Belastung
der Maschine praktisch unabhängig ist, da die von der Spülluftpumpe je Arbeitsspiel
geförderte Luftmenge immer die gleiche bleibt und deshalb (bei gleichbleibender
Motordrehzahl) auch die im Pumpenarbeitsraum sich abspielenden Druckänderungen praktisch
immer denselben Verlauf haben. Dieser Umstand gestaltet die Benutzung der Spülluftpumpe
für die Gaseinlaßsteuerung besonders vorteilhaft.
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Wenn es erwünscht sein sollte, die Lage der Eröffnung des Brenngaseinlaßventils,
bezogen auf den Weg des Motorarbeitskolbens, noch um eine gewisse Strecke zu verschieben,
so kann dies erreicht werden. indem in die Verbindungsleitung zwischen dem Arbeitsraum
der Spülluftpumpe und der Kammer, welche das vom Pumpendruck belastete Kraftglied
aufnimmt, ein Drosselglied eingebaut wird. Durch eine solche Drosselung der Verbindungsleitung
wird bewirkt, daß die in der Spülluftpumpe auftretenden Druckänderungen sich in
der Kammer des Kraftgliedes langsamer vollziehen als im Arbeitsraum der Spülluftpumpe
und daß sonach auch der Punkt, bei welchem das Brenngaseinlaßventil öffnet, nunmehr
in bezug auf den Weg des Motorkolbens eine andere Lage einnimmt als bei urgedrosselter
Verbindungsleitung.
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Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.
Abb.
i zeigt einen Längsschnitt durch einen Zweitaktgegenkolbengasmotor mit Einspritzzündung;
Abb. 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein zu diesem Motor gehörendes druckgesteuertes
Brenngaseinlaßventil in größerem Maßstab; Abb-. 3 zeigt die Arbeitsdiagramme des
in Abb. i dargestellten Motors und seiner Spülluftpumpe und die sich hiernach ergebende
Steuerung des Brenngaseinlaßventids; Abb. ,4 zeigt den Schnitt durch eine Leitungsdrosselung;
Abb. 5 zeigt einen Längsschnitt durch einen gleichfalls mit Einspritzzündung arbeitenden
Zweitakteinkolbengasmotor mit einer Stufenkolbenspülluftpumpe; Abb. 6 zeigt einen
Längsschnitt durch ein zum Motor nach Abb. 5 gehörendes druckgesteuertes trenngaseinlaßventil
in größerem Maßstäbe; Abb, 7 zeigt die zu diesem Motor gehörenden Diagramme; Abb.
8 zeigt einen Längsschnitt durch eine dem. Gegenstand der Abb. 6 ähnliche Einrichtung.
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Übereinstimmende Teile verschiedener Abbildungen sind gleichbezeichnet.
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Bei dem Motor nach Abb. i bewegen sich im Arbeitszylinder i die beiden
Arbeitskolben 2 und 3 gegenläufig zueinander. Mit dem äußeren Arbeitskolben 3 ist
der Spülp:umpenkolben q. fest verbunden, der im Spülpumpenzylinder 5 arbeitet und
darin den Pumpenarbeitsraum 6 abgrenzt. Hierbei fällt der Ansaughub der Spülpumpe
mit dem Verdichtungshub derMotorkolben und derFörderhub der Spülpumpe mit dem Ausdehnungshub
der Motorkolben zusammen. Die Spülluft wird über ein Saugventil 7 aus dem Freien:
eingesaugt und über ein Druckventil 8 in einen Aufnehmer 9 gefördert, welcher durch
einen gestrichelt gezeichneten Kanal io mit den vom äußeren Arbeitskolben 3 gesteuerten
Einlaßschlitzen i i des Arbeitszylinders i dauernd in Verbindung steht. Der innere
Arbeitskolben 2 steuert die in der Wand des Arbeitszylinders i vorgesehenen Auslaß;
schlitze 12. Auf den Spülpumpenzylinder 5 ist ein kleiner Verdichterzylinder 15
und auf den Spülkodben4 ein Verdichterkol.ben 16 aufgesetzt. Diese Teile 15, 16
bilden; den Brenngasverdichter, dem dasGas durch eine Leitung 17 zuströmt und von
dem es über eine Leitung 18, in welche ein Aufnehmerbehälter i9 eingeschaltet ist,
zu dem das Gaseinlaßabschlußglied enthaltenden Gehäuse 30 gefördert wird,
das in der Wand leas Arbeitszylinders so angebracht ist, daß es in den Totraum 21
ausmündet. Zum Einspritzen der die Zündung bewirkenden geringen Menge flüssigen
Zündbrennstoffes dient eine Hochdruckeinspritzpumpe 23, die von einem auf der Maschinenwelle
25 sitzenden Nocken 26 angetrieben wird. Der flüssige Brennstoff fließt dieser Pumpe
aus einem Behälter 2,- zu und wird von ihr durch eine Leitung 28 zu einer in den
21 ausmündenden Brennstoffeinsp.ritzdüse 22 gefördert.
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Das Gehäuse 30 (vgl. Abb. 2) enthält einen Hohlraum 32, welcher nach
dem Motorbrennraum 21 hin durch den zu diesem Raum hin öffnenden Ventilteller 33
abgeschlossen wird und an den die Gaszuleitung 18 angeschlossen ist. Der Ventilteller
wird sonach vom Brenngasdruck ständig im Sinne des Öffners belastet. Die Spindel
34. des Ventiltellers 33 reicht über eine als Abdichtung wirkende Führung 35 in
einen Hohlraum 36 hinein und ist dort an eine diesen Hohlraum nach außen abschließende
Membran 37 angeschlossen. Der Hohlraum 36 steht mittels einer Leitung 14 mit dem
Arbeitsraum 6 der Spülpumpe in dauernd offener Verbindung, so daß die Druckänderungen
im Spülpumpenarbeitsraum 6 auf die Membran 37 übertragen werden. Die auf die Membran
ausgeübte Kraft wirkt auf den Ventilteller 33 im Sinne des Schließens. Eine Feder38
belastet den Ventilteller 33 gleichfalls im Sinne des Schließens.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung ergibt sich am anschaulichsten aus
Abb.3; darin bedeutet a das Diagramm des Motors, b das Diagramm der Spülpumpe.
Nach oben ist der Druck p (in ata), nach -der Seite der für -den Motorkolben 3 und
den Pumpenkolbenq. übereinstimmende Kolbenweg s aufgetragen. Die Spülpumpe beginnt
im inneren Totpunkt A des Motorkolbens 3 zu verdichten, die Verdichtung dauert bis
zum Punkt B, daran schließt sich die Förderung bis zum äußeren Totpunkt C, hierauf
folgt eine Expansion bis zum Punkt D, hieran anschließend erfolgt das Ansaugen bis
zum Punkt A. Im äußeren Totpunkt C hat die Spülluft einen hohen. Druck; dementsprechend
ist die auf dien Membran -37 einwirkende Kraft so groß, daß sie die auf Öffnen des
Ventiltellers 33 wirkende Kraft des Brenngasdruckes überwiegt. Das Gasventil 33
ist also geschlossen. Während der Expansion von C nach D sinkt der Spülluftdruck
ab. Bei einem Punkt E, bei welchem der Druck p1 herrscht, hält der Spülluftdruck
zusammen mit ..der Kraft der Feder 38 dem Brenngasdruck soeben das Gleichgewicht;
im nächsten Augenblick öffnet das Gasventil 33. Dieses Ventil 33 schließt sich selbsttätig
wieder, sobald der im Motorarbeitsraum 21 herrschende Druck zusammen mit der Kraft
der Feder 38 den auf Öffnen des Ventils hinwirkenden Druck des Brenngases überwindet.
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In gleicher Weise kann beispielsweise bei
einem Zweitakteinkolbenmotor
mit Kurbelkastenspülpumpe der im Kurbelkasten herrschende veränderliche Druck zur
Steuerung des Gaseinlaßv entils Verwendung finden.
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Wenn der Eröffnungspunkt E des Gasventils 33 zu nahe am äußeren Totpunkt
C liegt, sind die Auspuffschlitze 12 noch nicht abgeschlossen. Es ist dann, um Gasverlust
zu vermeiden, erwünscht, den Eröffnungspunkt vom äußeren Totpunkt weiter wegzuverlegen.
Diese Verlegung des Eröffnungspunktes kann mittels einer in die Leitung 14 zwischen
Spülpumpenarbeitsraum 6 und der Membrankammer 36 einzuschaltenden Drosseleinrichtung
nach Abb. 4 erreicht werden. In die seitlich gerichtete Ausmündung 41 des einen
Teils der Leitung 14, an die sich der zum anderen Teil der Leitung 14 führende Kanal
42 anschließt, ragt ein verstellbares. Drosselglied, z. B. die kegelige Spitze .4
einer Schraube .13 hinein.
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Die Einrichtung wirkt wie folgt: Ist die Drossel 41, 44 weit offen,
so kann die Luft bei Druckänderungen in der Spülpumpe ungehindert zur Kammer 36
hin bzw. aus dieser zurückströmen. Der Eröffnungspunkt des Gasventils 33 liegt dann
bei E.
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Will man den Eröffnungspunkt vom äußeren Totpunkt C weiter weglegen,
so wird die Drosselschraube 43 weiter in die Ausmündung 41 hineingeschraubt. Dies
hat zur Folge, daß jetzt bei Druckänderungen in der Spülpumpe die Strömung der Luft
zu bzw. von der Kammer 36 behindert ist, daß also bei der Expansion in der Spülpumpe
(Linie C-1?) der Druckabfall in der Kammer 36 langsamer vonstatten geht als in der
Spülpumpe und etwa der Linie C-D' (Abb.4) folgt. Der Druck p1, bei welchem das Öffnen
des Gasventils 33 stattfindet, wird im Punkt E' erreicht, der vom äußeren Totpunkt
C weiter abliegt als der Punkt E.
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Häufig kann das Drosselglied auf einen bestimmten, durch Versuche
zu ermittelnden Drosselquerschnitt fest eingestellt bleiben. In diesem Fall kann
die Drosselung der Leitung 14 auch durch einen unveränderlichen, in diese Leitung
14 eingeschalteten verengten Durchlaß, z. B. durch eine Drosselscheibe. erfolgen.
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Die Abb. 5 zeigt einen Einkolbe-nzweitaktgasmotor, bei welchem der
Spülpumpenkolben 4 so: mit dem Arbeitskolben 3 verbunden ist, daß der Spülpumpenarbeitsraum
6 von dem Ringraum zwischen dem Spülpumpenzylinder 5 und dem Arbeitskolben 3 gebildet
wird. Hierbei fällt der Ansaughub der Spülpumpe mit dem Ausdehnungshub des Arbeitskolbens
und der Förderhub der Spülpumpe mit @denf Verdichtungshub des Arbeitskolbens zusammen.
Die Brenngaspumpe 15, 16 ist seitlich an den Motor angesetzt; sie wird von einem
auf der Motorwelle 25 sitZenden Exzenter 29 aus angetrieben und fördert das Gas
zu dem in den Motortotraum ausmündenden Ventilgehäuse So. Da bei diesem Motor die
Spülpumpentakte relativ zu den Arbeitskolbentakten anders liegen als beim Beispiel
nach Abb. 1, muß auch die Gaseinlaßsteuerung eine etwas andere Ausgestaltung erfahren.
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Ein Beispiel einer für diesen Motor geeigneten Gaseinlaßsteuerung
zeigt Abb.6. In dem Ventilgehäuse So sind zwei Ventile, das druckgesteuerte, zum
Motorarbeitsraum 21 hin öffnende Gaseinlaßventil 5 n und ein im gleichen Sinne öffnendes,
durch eine Feder 52 auf Schließen belastetes, einfaches Rückschlagventil 53, hintereinander
eingebaut. Mit der Spindel 54 des Gasventils 51 ist ein im Ventilgehäuse So abdichtend
geführter Kolben 55 fest verbunden, dessen Durchmesser größer ist als der des Ventiltellers
51, so daß das durch die Leitung 18 in den Raum 56 zwischen dem Ventilteller
51 und dem Kolben 55 zutretende, unter Druck stehende Brenngas bestrebt ist,
das Ventil 51 geschlossen zu halten. Im gleichen Sinne wirkt eine Ventilbelastungsfeder
57. Der Kolben 55 ist an eine Membran 57 angeschlossen, deren vom Kolben abgekehrte
Seite zusammen mit einem Deckel SS eine Kammer 59 bildet, mit welcher der Spülpumpenarbeitsraum
6 über die Leitung 14 in dauernder Verbindung steht. Der Spülluftdruck ist bestrebt,
das Gaseinlaßventil 51 zu öffnen.
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Die Einrichtung wirkt wie folgt (vgl. hierzu Abb. 7) : Im äußeren
Totpunkt G ist der Druck in der Spülpumpe gering; das Gasventil 51 wird daher durch
die Kraft des Gasdruckes und der Feder 57 geschlossen gehalten. Beim Einwärtsgang
der Kolben 3 und 4 steigt der Spüldruck bis zum Punkt H an. Während -dieses Ansteigens
wird ein PunktJerreicht, bei welchem der Spülpumpendruck den erwähnten Gegenkräften
das Gleichgewicht hält; im nächsten Augenblick öffnet demzufolge das Ventil 51 und
ebenso auch, da der Gegendruck im Motorzylinder noch kleiner ist als der Brenngasdruck,
das Ventil 53. Das Brenngas strömt jetzt in den Motorarbeitsraum ein, und zwar so
lange, bis der Druck im Motorarbeitsraum den Brenngasdruck erreicht hat; es schließt
sich dann das Ventil 53, womit die weitere Brenngaszufuhr unterbrochen ist. Das
Ventil 51 bleibt so lange offen, bis der Druck in der Spülpumpe bei der zu Beginn
des Auswärtshubes stattfindenden Expansion (Linie K-L) so weit gefallen ist (Punkt
!11), daß nunmehr der Brenngasdruck zusammen mit der Kraft der Feder 57 das Ventil
51 schließt; dieses Ventil bleibt dann bis zum Punkt J geschlossen.
Abu.
ä zeigt eine Einrichtung, welche der nach Abb. 6 ähnlich, aber so ausgebildet ist,
daß der Brenngasdruck keinen Einfluß auf die Steuerung des Gaseinlaßabschlußgliedes
hat. Der vom Brenngasdruck belastete, mit dem Ventilteller 51 verbundene Kolben
55'
hat die gleiche wirksame Fläche wie der Ventilteller, so da:ß die vom
Brenngasdruck auf diese beiden Flächen ausgeübten Kräfte sich aufheben. Der Ventilteller
wird alsolediglich durch die Feder 57 im Sinne des Schließens belastet, während
der Brenngasdruck keine Verstellkraft ausübt. Eine solche Ausgestaltung ist deshalb
auch dann geeignet, wenn der Brenngasdruck erheblichen Schwankungen unterworfen
ist.
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Will man bei der in den Abb. 5 bis 7 dargestellten Einrichtung den
Eröffnungspunkt I des Gasventils vom äußeren Totpunkt G weiter wegverlegen, etwa
zum Punkt J' in Abb.7, so muß der Zutritt des Spülpumpendruckes zur Verschiebegliedkammer
59 verzögert werden. Hierzu kann wieder die oben beschriebene Einrichtung gemäß
Abb. ¢ dienen.
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Die Anpassung der Brenngasmenge an die verlangte Motorleistung kann
in an sich bekannter Weise durch Beeinflussung der Förderung des Brenngasverdichters
15, 16 erfolgen, beispielsweise indem, wie in Abb. i dargestellt, in der Ansaugleitung
17 dieses Verdichters ein von Hand oder von einem Regler verstellbares Drosselglied
6o vorgesehen wird. Es kann auch, z. B. durch Aufdrücken des Saugventils während
eines Teils des Förderhubes, ein Teil des bereits angesaugten Gases in die Saugleitung
zurückgeführt werden.
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Der Kolben der zur Steuerung des Brenngas-Einlasses benutzten Spülluftpumpe
kann, anstatt mit dem Motorarbeitskolben fest verbunden zu sein" auch auch von einer
besonderen Kurbel oder von einem sonstigen Antriebsglied aus angetrieben werden.
Die Bedingung, daß der Motorkolben und der Pumpenkolben im Gleichtakt arbeiten sollen,
ist dabei so zu verstehen, daß im Pumpenzylinder zu dem Zeitpunkt, in dem das Öffnen
des Brenngas-Einlasses erfolgen soll, eine Druckänderung (Verdichtung oder Expansion)
stattfinden soll. Da der Gaseinlaß zweckmäßig gleich nach Abschluß der Auslaßöffnungen
des Motorarbeitszylinders beginnt, also in der Nähe des äußeren Totpunktes des -
Motorkolbens, und da auch die Druckänderungen in der Spülluftpumpe im allgemeinen
immer von den Totlagen des Pumpenkolbens ausgehen, so gestaltet sich die Durchführung
der Erfindung bei völligem Gleichtakt von Motor-und Pumpenkolben besonders einfach.
Jedoch kann der Winkel zwischen Motorkurbel und Pumpenkurbel oder zwischen entsprechenden
Antriebselementen auch etwas von o oder iäo° abweichen, sofern nur die zur Steuerung
des Brenngas-Einlasses benutzte Druckänderung im Pumpenarbeitsraum relativ zum Motordiagramm
eine solche Lage hat, daß dieser Gaseinlaß an einer betrieblich brauchbaren Stelle
des Weges des Motorkolbens erfolgen kann.
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Als Brenngas kann jedes für die Verbrennung im Motor geeignete und
eine Verdichtung auf mehrere Atmosphären Druck vertragende brennbare Gas Verwendung
finden. In Betracht kommen insbesondere Leuchtgas, Koksofengas und Generatorgas.
Auch vergastes Flüssiggas (Propan, Butan), das in flüssigem Zustande unter dem seiner
jeweiligen Temperatur entsprechenden Dampfdruck gespeichert ist, kann zurAnwendung
kommen. Die Vergasung kann in an sich bekannter Weise unter Zuhilfenahme von Motorabwärme
erfolgen. Zweckmäßig wird hierbei das dem Speicher entnommene Gas nur so, weit entspannt,
daß es noch den zu seiner Einfuhr in den Motorarbeitsraum und gegebenenfalls zur
Steuerung des Gaseinlasses erforderlichen Druck aufweist. Der sonst vorzusehende
besondere Gasverdichter kann dann fortfallen.