-
Hochleistungs-Brennkraftmaschine 1)ie 1-rfiiilniig Betrifft eitle
1-lochleistungs-Verürennungskolbenkraftmaschine, deren Drehmoment in derart hohem
Maße verändert und gesteigert werden kann, daß beim Antrieb von tKraftfahrzeu-.en
auf den Gebrauch eines besonderen Drehniirnieiitwandlera odier @Vecliselgetriel>es
größtenteils verzichtet werden kaiui.
-
1:s sind Brennkraftmaschinen bekanntgeworden, deren Brennräumen fremdverdichtete
und durch Abgaswärme vorgeheizte Hochdruckluft durch gesteuerte Einlaßventile zugeführt
wird. Diese Maschinen haben zwar den Vorteil, daß der Antrirl>smotor z. B. von Schienenkraftfahrzeugen
zunächst ini Heißluftbetriel> aus dein Ruhestand unter Last anfahren und im anschließenden
Verbrennungsbetrieb über einen großen Drehzahlbereich mit konstanter Leistung arbeiten
kann; sie erfordern jedoch einen erheblichen Bauaufwand, der sich aus der Notwendigkeit
der Anwendung füllungsregelnder Steuerorgane nebst Antrieb und einer umfangreichen
vierstufigen Hochdruckkolbetiverdichteranlage mit mehreren Zwischenkühlern ergibt.
-
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, das Ziel der hochelastischen
Brennkraftmasoh.ine mit einfachen Mitteln unter Fortfall von füllungsregelnden ,Steuerorganen,
einer ibesonderen Hochdruckverdichtungsatilage nebst Zwischenkühlern und einer Hochdruckluftvorheizung
durch mehrfache
Steigerung der Leistung gegenüber dem nicht aufgeladenen
Dieselmotor ungefähr gleichen Gewichts und Raumbedarfs zu erreichen.
-
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in der Regelung
.der ,Füllung auf dem Wege einer stufenlosen Änderung,der Höhe des Spül- und Ladeluftdrucks
bis zu ungefähr 4 ata im Zusammenhang mit der ,Anwendung eines besonderen ,motorischen
Arbeitsverfahrens, das die Verbrennung auch beim Zweitaktschwerölmotor mit niedrigem
Luftü.berschuß, mit ungewöhnlich geringem Zündverzug, mit ungewöhnlich hohen Verdiehtungsenddrücken
bis zu ungefähr i5o ata und mit besonders hohen Verbrennungsdrücken und Temperaturen
durchzuführen gestattet.
-
Das Wesentliche der Erfindung besteht darin, daß außer der die Nutzleistung
abgebenden, nach dem erwähnten neuen Verbrennungsverfahren im Zweitakt arbeitenden
hochladbaren Antriebsbrennkraftmaschine ein mehrstufiger kleiner Schleuderverdichter
hoher Drehzahl zur nach Druck und Menge der im Fahrzeugbetrieb stark wechselnden
Belastung stetig und stufenlos angepaßten Förderung der Spül- und Ladeluft vorgesehen
ist, der einerseits von einer besonderen, nach dem gleichen Verbrennungsverfahren
im Zweitakt arbeitenden hochladbaren und vom gleichen Schleuderverdichter mit Spül-
und Ladeluft versorgten kleineren Brennkraftmaschine und anderseits von einer aus
der Abgasenergie der beiden Brennkraftmaschinen gespeisten Abgasturbine angetrieben
wird.
-
Die Leistungsregelung der die Nutzleistung abgebenden Brennkraftmaschine
erfolgt im Zusammenhang mit der Änderung der ihr zugeführten Kraftstoffmenge durch
Änderung der Drehzahl der besonderen Antriebsmaschine des Schleuderverdichters und
durch die damit bewirkte Änderung des Drucks und der Menge der geförderten Ladeluft.
Die von Kolbenverdichtern abweichende Charakteristik der Leistungsaufnahme des 'Schleudergebläses
führt hierbei zu einer besonders im Fahrzeugbetrieb erwünschten Verkürzung des Regelverzugs,
weil die Steigerung des Ladedrucks nicht verhältig, sondern ungefähr mit dem Quadrat
der Verdichterdrühzahl zunimmt. Die erwünscht schnelle Steigerung der Drehzahl des
Schleuderverdichters wind durch vorübergehende Vergrößerung des Durchflußquerschnitts
in der zum Hilfsmotor für den Schleuderverdichterantrieb führenden :Spül-und Ladeluftleitung
herbeigeführt. In dieser Luftleitung befindet sich zu diesem Zweck ein mit dem Regelglied
der Kraftstoffpumpe des Hauptmotors gekuppeltes Drosselorgan. Der den Schleuderverdichter
zusammen mit der Abgasturbine antreibende Hilfsmotor läuft daher gewöhnlich mit
etwas gedrosselterLuftzufuhr und mit entsprechendgeringerem Ladeluftdruck. Da nun
diese Drosselung bei jeder Steigerung der Kraftstoffzufuhr zum ,Hauptmotor infolge
der erwähnten Kupplung vorübergehend verringert oder beseitigt wird, steigt die
Drehzahl des Hilfsmotors, und es fließt den beiden Maschinen das der erhöhten Kraftstoffzufuhr
entsprechende höhere Luftgewicht bereits vor Erreichung der Rauchgrenze zu. Durch
diese Maßnahme wird der sofortige Einsatz einer besonders im Kraftfahrzeugbetrieb
erwünschten mehrfachen Leistungsreserve ermöglicht und .die Anwendung eines umfangreichen
Druckluftvorratsbehälters vermieden.
-
Zur stufenlosen Anpassung der Gebläseleistung an den mit der Belastung
wechselnden Luftbedarf des Hauptmotörs ist das Regelglied der Kraftstoffpumpe des
Hilfsmotors entweder unmittelbar oder über ein zusätzliches Regelglied mit dem Regelglied
der Kraftstoffpumpe des Hauptmotors gekuppelt.
-
Zum Anlassen des Hauptmotors und zur Arbeitsaufnahme beim Bremsen
in der Gefällefahrt des mit dem neuen Motor ausgerüsteten schweren Kraftfahrzeugs
dient eine mit Selbstverstärkung arbeitende und die Kurbelwellen der beiden Motoren
vorübelgehend verbindende Bandkupplung.
-
Die Zeichnung bezieht sich auf einen als Anwendungsbeispiel gewählten
Kraftfahrzeugantrieb. In Bild i ist eine solche Antriebsanlage schematisch dargestellt;
Bild 2 dient zur Erläuterung des Triebwerks; Bild 3 zeigt den Druck\'erlauf des
dreistufigen Schleuderverdichters; Bild 4 zeigt die Leistungsgrenzen des neuen Motors
im Druck-Volumen-Diagramm; ,Bild 5 zeigt die erreichbare Leistungssteigerung gegenüber
dem nicht aufgeladenen Dieselmotor; Bild 6 zeigt den Drehmomentverlauf des Hauptmotors
im Vergleich zu einem nicht aufgeladenen Fahrzeugdieselmotor gleichen Gewichts und
gleichen Raumbedarfs mit Fünfganggetriebe.
-
Im .Schema Bild i ist der die Nutzleistung abgebende Hauptmotor i
als Zweizylindergegenkolbenmotor, der Hilfsmotor als Einzylindergegenkolbenmotor
angedeutet. Der mehrstufige Schleuderverdichter 3 und die von den Abgasenergien
des Hauptmotors und des Hilfsmotors betriebene Abgasturbine 4 sind mit dem Hilfsmotor
2 über das Übersetzungsgetriebe 5 gekuppelt. Der kleine Hilfsmotor 2 kann entweder
von Hand oder mit der an das Übersetzungsgetriebe 5 angreifenden Anlaß-und Lichtmaschine
6 angeworfen werden. Die Reibungskupplung 7 dient zur vorübergehenden Verbindung
des Hilfsmotors mit dem Hauptmotor; sie wird durch den Bremshebel 8 beim Anlassen
des Hauptmotors durch den Hilfsmotor und auch beim Bremsen betätigt. Zur Schonung
der Reibungsbremsen des Kraftfahrzeugs geschieht die Betätigung der Kupplung 7 zweckmäßig
im Vorhub des Bremshebels B. Durch die vorübergehende Kupplung der Kurbelwelle des
Hauptmotors mit der Kurbelwelle des Hilfsmotors und dem Schleudergebläse 3 wird
die mit der Drehzahl stark zunehmende Leistungsaufnahme dieses Gebläses zur Erzielung
einer sich der jeweiligen Fahrgeschwindigkeit sinngemäß anpassenden Bremswirkung
ausgenutzt.
-
Die vom Gebläse 3 geförderte Druckluft gelangt über den Rückkühler
g in den Aufnehmer to, mit
dem die ,Spül- und Ladeschlitze der beiden
Motoren 2 und i durch kurz gehaltene Rohrstücke i 1, 12 verbunden sind.
-
Das vom Fahrhebel 13 bewegte Regelglied der Kraftstoffpumpe
14 des l-iauptinotors i kann mit dem Regelglied der .Kraftstoffpumpe 15 des Hilfsmotors
2 unmittelbar oder durch Einfügung eines verstellbaren Zwischenglieds 16 gekoppelt
.sein. Das Zwischenglied 16 besteht im wesentlichen aus einem Steuersegment, das
auf seiner Drehachse 17 einstellbar angeordnet ist. Um eine Berichtigung der Luftförderung
durch Änderung der Hilfsmotordrehzahl während des Betriebs vornehmen zu können,
kann die Verstellung des Steuersegments 16 auf der Achse 17 durch ein weiteres Regelorgan
erfolgen.
-
In der zum Hilfsmotor 2 führenden Spül- und Ladeluftleitung i i befindet
sich die durch den Fahrhebel 13 bewegte Drosselklappe 18. Solange der Fahrhebel
13 nicht bew> wird, liegt das Fahrgestänge am Anschlag i9 an, und die beiden
Kraftstoffpumpen 1.4 und 1,5 und die Drosselklappe 18 befinden sich in Leerlaufstellung.
Wird der Hilfsinotor zu seiner Inbetriebsetzung durch den Anlasser 6 oder von Hand
angeworfen, so wird ihm von dem mit ihm gekuppelten Gebläse 3 schon bei den ersten
Umdrehungen die für den Leerlauf nötige Spül- und Ladeluftmetige zugeführt.
-
Zum Anlassen des Hauptmotors wird zunächst der Hilfsmotor 2 durch
Betätigung des Fahrhebels 13 und durch die damit bewirkte Zunahme der von der Kraftstoffpumpe
15 geförderten Kraftstoffmenge und der an der jetzt weitergeöffneten Drosselklappe
18 vorbei freier zuströmenden ,Spül-und Ladeluftmenge beschleunigt. Die Regelstange
der Kraftstoffpumpe 14 des Hauptmotors hat durch die Bewegung des Fahrhebels bereits
die zu seiner Inbetriebsetzung erforderliche Stellung erhalten. Die Spül- und Ladeluft
steht schon einströmungsbereit vor den Einlaßschlitzen der Zylinder des Hauptmotors.
Die Fahrkupplung 2o ist wie üblich eingerückt. Da: gangarme Wechsel- und Wendegetriebe
21, das für den neuen Motor in der Regel außer dein Rückwärtsgang und dem direkten
Gang mit einem nur beim Anfahren und beim Befahren von,Steigungen über ungefähr
io % benötigten Anfahr- und Berggang auskommt, befindet sich in Leerlaufstellung.
Durch Druck auf den Bremshebel 8 wird die Kupplung 7 vorübergehend eingerückt. Das
damit bewirkte Andrehen des Hauptmotors wird durch die im Schleuderverdichter 3,
in der ,Abgasturbine .4 und in den umlaufenden Massen des Hilfsmotors aufgespeicherte
lebendige Kraft wirksam unterstützt. Gleichzeitig mit dem Andrehen des Hauptmotors
beginnt seine Kraftstoffpumpe 14 zu fördern. Der hochverdichtete Motor springt schön
nach einigen Umdrehungen an und läuft nun ebenso wie der Hilfsmotor zunächst im
Leerlauf, bis das Kraftfahrzeug in üblicher Weise nach Ausrücken der Kupplung 20,
Einrücken des Anfahrgangs am Getriebe 21, Loslassen des Kupplungspedals 20 und .Betätigung
des Fahrhebels 13 in Bewegung gesetzt und dem zur Verfügung stehenden ungewöhnlich
hohen Motordrehmoment entsprechend stark beschleunigt wird.
-
Da die beiden Brennkraftmaschinen dem angewandten neuen Verbrennungsverfahren
entsprechend ,bei Vollast mit ungewöhnlich hohen Verdichtungsenddrücken von ungefähr
15o ata und fast deichhohen Verbrennungshöchstdrücken arbeiten, ergibt sich die
Anwendung verhältnismäßig kleiner Kolbendurchmesser und entsprechend kleiner Kolbengleitbahnflächen,
was im Zusammenhang mit (lern hohen Kolbendruck zur Vermeidung zu hoher spezifischer
Kolbengleitbahndrücke dazu führt, die Koll)enkraft, wie z. B. bei Gegenkolbenmotoren
schon gebräuchlich und wie in Bild 2 dargestellt, unter, starker Verminderung der
Kolbenseitendrücke und der Kolbenreibung über eine nur wenig au.sschlagende Schubstange
22 und über einen Schwinghebel 23 auf das Pleuel 24 und die Kurbel 25 zu übertragen.
Bei den beiden Brennkraftmaschinen des neuen Motors ermöglicht die Gegenkolbenbauart
ferner die Anwendung der einfachsten Art der guten Gleichstromspülung und außerdem
auch die Hochladung des Motors ohne besondere Steuerorgane.
-
Die Lagerung der Schwinghebel 23 weicht um das Maß A von ihrer
symmetrischen Lagerung ab. Dadurch wird erreicht, daß der Ausschlagwinkel der Schubstange
22 klein bleibt, solange im Zylinder hohe Drücke herrschen. Durch diese unsymnietrische
Anordnung der Schwinghebellagerung und durch die Anwendung ungleicher Hebelarmlängen
i, und i2 des im Schnitt C-D dargestellten Scliw-ingllebelS 23 werden die Kolbenseitendrücke,
die Kolbenreibung und die Belastungen auf Schwinghebellager und Pleuellager niedriger
gehalten. Gleichzeitig wird die zur ventillosen Nach-und Hochladung nötige Nacheilung
B des den Einlas steuernden Arbeitskolben des Gegenkolbenmotors mit um 18o° versetzten
Kurbeln um den Kurbelwinkel a bei niedriger Bauhöhe des Motors erzielt. Da der neue
:Motor im Zweitakt arbeitet, ist dessen höheres Triebwerksgewicht von Vorteil, denn
die erhöhten Massenwirkungen des Triebwerks beschneiden die Spitzenbelastungen verschiedener
Lagerzapfen und verbessern das Drehkraftdiagramm der Maschine, d. h. die Gleichförmigkeit
ihrer Umfangskraft.
-
In Bild 3 sind für ein angenommenes Ausführungsbeispiel eines 400-PS-Kraftfahrzeugantriebs
die Förderdrücke des dreistufigen Schleuderverdichters 3 aufgetragen. Die Charakteristik
der Leistungsaufnahme des Schleuderverdichters erleichtert das Anlassen des ihn
zusammen mit.der Abgasturbine 4 (Bild i) antreibenden Hilfsmotors. Anderseits verkürzt
der in der zweiten Hälfte des Drehzahlbereichs des Hilfsmotors und des Gebläses
schnell ansteigende Gebläsedruck den Regelverzug beim .Steigern der Leistung des
Hauptmotors.
-
In Bild 4 sind drei Druck-Volumen-Schaubilder des Hauptmotors dargestellt,
und zwar a für den Leerlauf, b für Volleistung von ungefähr ioo PS des Hauptmotors
bei der Fahrt eines Lastkraftzugs von ungefähr 2o ooo kg Gesamtgewicht in der Ebene
und c für die höchste Nutzleistung von ungefähr
400 PS. Das Schaubild
c stützt sich auf ,die Anwendung des .eingangs erwähnten neuen motorischen Arbeitsverfahrens
und setzt ein Verdichtungsverhältnis von E = 15, eine Totraumgröße von 5,15 % des
,Zylinderhubraums, einen Ladedruck von 3,5 ata, die Heranführung des Verdichtungsernddrucks
bis fast an .den Verbrennungshöchstdruck von 15o ata und dementsprechend ungefähr
90/a
Füllung nach innerem Kolbentotpunkt voraus. Der mittlere indizierte Kolbenarbeitsdruck
beträgt dabei ungefähr 29 bis 31 ata.
-
Zur Erzielung der für die Bewegung eines solchen Lastkraftzugs im
Gesamtgewicht von 2o ooo kg in der Ebene mit einer Fahrgeschwindigkeit von ungefähr
65 km/h erforderlichen und dem P-V-Diagramm b entsprechenden Motorleistung von ungefähr
Zoo PS beträgt der Spül- und Ladedruck ungefähr 1,25 ata und der dazu nötige Enddruck
des Schleuderverdichters ungefähr 1,5 ata. Aus Bild 3 ist ersichtlich, daß der Hilfsmotor
dabei mit nur C)40 U/min arbeitet, während der Hauptmotor entsprechend der Geschwindigkeit
des Lastkraftzugs in der Höhe seiner Höchstdrehzahl läuft. Zur Steigerung der Hauptmotorleistung
von der dem Flächeninhalt b (Bild 4) entsprechenden Leistung von ungefähr Zoo PS
auf die der Fläche c entsprechende Höchstleistung von 4010 PS wird die Drehzahl
des Hilfsmotors auf 18ooU/min, der Ladeluftdruck dadurch auf 3,5 ata und der dazu
nötige Enddruck des Schleuderverdichters auf ungefähr 4 ata gesteigert.
-
Nach den mit dem hier angewandten neuen motorischen Arbeitsverfahren
bisher an Einzylirrderprü.fmotoren erzielten praktischen Erprobungsergebnissen ist
zu erwarten, daß der mittlere nutzbare Kolbenarbeitsdruck des Hauptmotors bei 3,5
ata Ladeluftdruck in Übereinstimmung mit der theoretischen Ermittlung ungefähr 26
bis 28 kg/cm2 beträgt, daß ferner die für das gewählte .Anwendungsbeispiel nötige
höchste Nutzleistung von 400 PS nur einen Gesamthubrauminhalt von ungefähr 5,2 1
benötigt und daß ein solcher vollständiger Antrieb innerhalb des Raumbedarfs und
des Gewichts eines nicht aufgeladenen neuzeitlichen Fahrzeugdieselmotors von ungefähr
11o PS untergebracht werden kann.
-
In Bild 5 gibt der Unterschied zwischen den Schaulinien
d und f die mit dem neuen Motor gegenüber dem nicht aufgeladenen Dieselmotor
gleichen Bedarfs anRaum und'Gewicht erzielbareLeistungssteigerung an. Der Unterschied
zwischen den Linien e und g zeigt die Steigerung des mittleren nutzbaren
Kolbenarbeitsdrucks. Die vom Hilfsmotor 2 und von der Abgasturbine 4 (Bild 1) ungefähr
je zur Hälfte aufzubringende Leistung für den Antrieb des Schleuderverdichters 3
ist aus dem Höhenunterschied zwischen der ,die Nutzleistung des Hauptmotors angebenden;Linie
f und der Schaulinie la ersichtlich.
-
In Bild 6 ist dem Drehmomentverlauf eines nicht aufgeladenen Fahrzeugdieselmotors
von z 1o PS Höchstleistung mit Fünfganggetriebe der Drehniomentverlauf des Hauptmotors
des Erfindungsgegenstands auf gleicher Drehzahl gegenübergestellt. Der Linienzug
i begrenzt den zur Beschleunigung und zur .schnelleren Überwindung von Steigungen
zur Verfügung stehenden Drehmomentüberschuß des Hauptmotors im direkten Gang und
zeigt, daß bei Anwendung des neuen Motors auf drei Übersetzungsstufen eines Fünfganggetriebes
verzichtet werden kann und daß ,der neue Kraftfahrzeugantrieb mit einem übersetzten
Anfahrgang außer dem ,direkten Gang auskommt. Wählt man für diesen Anfahr- und besonderen
Berggang ein C@bersetzungsverhältnis von 1 : 1,5, so kann mit dem entsprechend höheren
Drehmoment k die hohe Beschleunigung des bisher üblichen hochübersetzten ersten
Gangs ungefähr bis zu 43 km Stundengeschwindigkeit des Lastzugs beibehalten werden,
gegenüber bisher nur bis zur Geschwindigkeit von ungefähr 14 km/h. Das als Anwendungsbeispiel
gewählte und mit dem neuen Motor von 400 PS Höchstleistung versehend schwere Lastkraftfahrzeug
von 2o ooo kg Gesamtgewicht überwindet lange Steigungen bis zu 7 % noch mit einer
Stundengeschwindigkeit von ungefähr 52 km. Wird der Anfahr- und Berggang nicht eingerückt,
so geht die Fahrgeschwindigkeit im direkten Gang beim Zunahmen der Steigung auf
io % bis auf ungefähr 4o km/h und an einer langen @Steigung von 15 0/0 auf ungefähr
27 km/h zurück. Wenn während der Zunahme der Steigung bei Abnahme der Fahrgeschwindigkeit
des Lastzugs auf 46 km/h der iBerg,-gang eingeschaltet wird, so sinkt die Fahrgeschwindigkeit
an einer langen Steigung von 15 % nur bis auf ungefähr 42 km/h.
-
Die mit der Einsatzbereitschaft einer mehrfachen Leistungsreserve
verbundene ungewöhnlich hohe Elastizität des neuen Motors ermöglicht daher eine
erhebliche Steigerung der durchschnittlichen Reisegeschwindigkeit schwerer Kraftfahrzeuge
und eine entsprechende Verbesserung ihrer Wirtschaftlichkeit besonders im bergigen
Gelände.