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Verbrennungskraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis
Die Erfindung betrifft Verbren:nungskraftrnaschinen und insbesondere eine Vorrichtung
zum selbsttätigen Verändern des Volumens der Brennkammer einer Verbrennungs.kraftmaschine
zu dem Zweck, jederzeit das höchste noch ohne Gefahr der Zerstörung zulässige Kompressionsverhältnis
zu erreichen.
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Der therrnisch.e Wirkungsgrad einer Verbrennungskraftmaschine wächst,
bei Konstanz der übrigen Einflüsse, als Funktion des Kompressionsverhältnisses.
Bekanntlich ist die Höhe des Kompressionsverhältnisses einer mit Funkern gezündeten
Verbrennungskraftmaschine durch die höchsten mit Rücksicht auf die Zerstörungsgefahr
noch zulässigen Drücke und Druckv-er'häl'tniss-e in der Brennkammer begrenzt. Der
Verb reennungsdruck, der eine Zerstörung hervorrufen würde, hängt von der Bauart
der Kammer und von, der Oktanzahl des verwendeten Betriebsstoffes ab. Diese beiden
Faktoren beeinfiusseni die zulässige Druckhöhe und gestatten bei deren: Steigerung
eine proportionale Erhöhung des Kompressionsverhältnisses über den ganzen Arbeitsbereich
der Maschine.
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Der höchste Verbrennungsdruck und überhaupt die höchsten Drücke treten
bei Vollastbetrieb auf. Daher ist das Kompressionsverhältnis einer Maschine mit
fest bestimmtem B.ren:nikammervolumen durch die Bedingungen bei Vollast begrenzt.
Bei einer solchen; Bauweise hat die Maschine bei geringer und. normaler Last ein
viel kleineres Kompressionsverhältnis als sonst für diese Fälle zulässig wäre. Es
isst daher erwünscht, eine Vorrichtun
- zum Verändern des Kompressionsverhältnisses
einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, derart, daß bei allen Arbeitsbedingungen
der Höchstdruck in der Brennkammer gerade=unter der gefährlichen Höhe bleibt und
dadurch der für einen bestimmten Betriebsstoff höchstmögliche thermische Wirkungsgrad
erreicht wird. Es ist auch erwünscht, eine Vorrichtung zu schaffen, die das Kompressionsverhältnis
der Maschine schnell herabsetzt, wenn deren Belastung von geringer oder normaler
Höhe rasch auf Vollast ansteigt, um gefährliche Drucksteigerungen während der Übergangszeit
zu verhindern.
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Es wurden bereits sehr viele Versuche unternommen, um das Kompressionsverlhältnis.
einer Maschine abhängig von deren Belastung zu verändern. Dazu wurden das Drehmonien.t,
der Druck im Saugstutzen, die Drosselklappenstellun:g und verschiedene andere lastabhängige
V .eränderlicbe zum Steuern. des Kompressionsverhältnisses herangezogen. Aber diese
früheren Ausführungen erfassen keimen: genügend weiten genau beherrschten Bereich
des Kompressionsverhältnisses, der wirklich zum, Erreichen höchsten tirermisclien
Wirkungsgrades he-i allen Betri,ehsverhältnissen ausreichen: würde. Sie sind auch
nicht imstande, das Kompressionsv:erliältnis rasch genug bei plötzlicher Mehrbelastung
der Maschine herabzusetzen, um gefährliche Druckhöhen zu vermeiden. Die meisten
der bekannten Vorrichtungen. haben Teile, die geschmiert werden müssen und dem Rückstoß
ausgesetzt sind.
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Daher ist es eire der Aufgaben der Erfindung, eine \7orrichtung zu
schaffen, die das Kompressionsverhältnis einer @'erhrennung.hraftmaschine abhängig
vom tatsächlichen Höchstwert des Druckes im der Brennkammer verändert.
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Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Reggelung des
Kompr°ssionsverhältnisses für mehrere Zylinder gemeinsam von, einer Vereinigung
ihrer Höchstdrücke abhängig zu machen.
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Eine dritte Erfindungsaufgabe ist die rasche Herabsetzung des Kompressionsverhältnisses
bei plötzlicher Mehrbelastung.
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Viertens soll durch die Erfindung die L-nteraufgabe gelöst werden,
zwischen einer beweglichen Wand der Brenmkamm:er und einem, Servomechanismus eine
Verbindung zu schaffen, die keinen Rückstoß hat und keine schmierungsljedürftigen
Lager besitzt.
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Fünftens ergibt sich die L:n@teraufga:b, der Erfindung, einen Flüssigkeitsservomotor
zum Ändern des Kompressionsverhältnisses, der unter normalen Betriebsverhältnisseil
von einer Kraftquelle mit konstantem Druck gespeist wird.,. mit einem Hilfsventil
auszustatten, das beim Üherschreiten :eines bestimmten Druckes den Servomotor vom
Druck entlastet und dadurch bei plötzlicher Mehrbelastung der Maschine das Kompressionsverhältnis
rasch herabsetzt.
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Andere Teilaufgaben gehen aus der Einzelbeschreibung und den: Zeichnungen
hervor. In den Zeichnungenr ist Fig. i ein teilweiser Querschnitt durch. eine Maschin11
Mit Kolbensteuerung, bei' der die vorlicgen:de Erfindung angewendet ist; Fig.2 ist
.eine Draufsicht auf eine Schwingplatte zum gleichzeitigen Steuern, des Kompressi.onsve=-hältnisses
für mehrere Zylinder von einem einzigen Servomotor; -Fig. 3 zeigt in einem Teilschnitt
die Vorrichtung zum Anbringen des Servomotors; Fig. 4 ist ein teilweiser Querschnitt
-.einer Maschine. an der eine zweite Ausführungsform des Erfindungs-gen:standes
ange:hracht ist; Fig. 3 ist ein: Teilschnitt des Steuerventils für die Ausführung
gemäß Fig.4.
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In den Fig. 1, 2 und 3. ist 2 der Motorblock einer Doppelkolbenventilmaschirie
in V-Forin. 4 ist der am Block 2 starr angeschraubte abnehmbare Kopf. Der Block
hat eine Reihe von Zylindern mit gegenüberlieä°nd@en Schlitzen 6 und 8 zum Auspuff
bzw. zum Einlaß des Gemisches. Zwischen diesen liegen Führungen io, in denen dieKolbenbeimArbeitenhin
und her gehen. Ein als Steuerkolben wirkender beweglicher Zylinderkopf z2 läßt sich
im Zylinder verstellen, um das Volumen der Brennkammer und damit das Kompressionsverhältnis
zu verändern. Dieser enthält einen Wassermantel 14, trägt eine Zündkerze 16 und
hat Dichtungsringe 18. Der Wassermantel 14 steht mit dem Wassermantel 2o des festem
Zylinderkopfes .4 durch biegsame Dichtungen 22 und 24 in Verbindung. Der Steuerkolben
12 hängt durch einr bewegliches Glied..28 mit einer Schwingplatte 26 zusammen. Dieses
bewegliche Glied ist starr sowohl mit dem Steuerkolben 12 als auch mit der Schwingplatte
26 verbunden, ist aber biegsam genug, um eine Bewegung des Kolbens und der Platte
zu gestatten. Die Schwingplatte 26 hängt mit dem Zylinderblock 2 durch ein weiteres
bewegliches Glied 30 aus Metallblech oder anderem geeignetem `V erltstoft
zusammen. Wenn also die Schwingplatte um das beweglich, Glied 3o als ihr Lager schwingt,
verschiebst sich der Steuerkolben 12 in der Führung io. An der dem beweglichen Glied
30 gegenüberliegenden Seite der Schwingplatte 26 ist ein drittes bewegliches
Glied 3-2 anbebracht, das mittels eines Joches 36 starr mit einem Servomotorzylinder
34 verbunden ist. Dieser steht unter Flüssigkeitsdruck, durch den er auf seinem
feststehendem Kolben 38 verschoben wird. Eine Flüssigleitszul-eitung 40 führt
durch den, Kolben 38 und dessen Ringnut .42 dem Kolben 38 Druckflüssigkeit zu. Der
Kolben, ist mit einer Lasche 4.4 starr am Motorblock befestigt. Die Quelle für konstanten
Öldruck besteht aus einem Behälter, einer vom -Motor ge triehenen Za'hnradpump-e
2o4 und einem einstellbaren Druckregelv entil 2o6. Die Belastungsfeder 2o8 des Druckregelventils
2o6 läßt sich durch eine Schraube 2io so einstellen, daß das Produkt aus dem Flüssigkeitsdruck
und der Fläche des Ventils 2o6 gerade genügt, um den Durchlaß 212 zu öffnen. Auf
der Lasche 44 ist eine Blattfeder 46 angebracht. die durch eine Schraube 48 eingestellt
werden kann. Der Kolben 38 enthält in seiner Mitte ein Differentialventil mit einer
Ventilstange
5o und einem Ringauslaß 52. Die Kraft, mit. der das Differentialventil gegen die
Feder 46 drückt, ist gleich dem Produkt aus dem Druck im. Zylinder 34 mit dem Querschnitt
der Ventilstairge 5o. Die Kraft der Feder 46 beben das @',entil wird mit der Einstellschraul;-e
48 so @eingestellt, daß sich das Ventil erst öffnet, wenn der Druck im Zylinder
34 größer ist als der konstante Druck, mit dem die Druckquelle den Zylinder durch
die Leitung 4o speist, wobei der Höchstdruck in dem Motor sehr nahe dem gefährlichen
Druckwert liegt.
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Fig.4 zeigt eine Abwandlung des Erfindungsge.genstandes für eine V-förmige,
qo° versetzte Acht-Zylinder-Maschine. Diese Abwandlung ist ähnlich der in Fig. 1
und 2 dargestellten Ausführung, unterscheidet sich aber von dieser in wichtigen-
Einzelheiten. 1o2 ist der Motorblock mit dem fest daran sitzenden Zylinderkopf io4,
in dem ein Steuerkolben 112 zum Verändern des Brennkammervolumens beweglich ist.
Die Figur zeigt, wie bei derartigem Maschinen gewöhnlich, ein Einlaßwentil i4o im
Motorblock und ein Auslaßw.entil 1.12 im Zylinderkopf 104. Die Zündkerze 116 sitzt
im Steuerkolben 1 i2- und bewegt. sich mit ihm. Der Steuerkolben 112 hat einen Wassermantel
114, der durch eine Leitung 146 zwischen @hiegsamen Dichtunben 148 und 15o mit dem
Wassermantcl 144 des Zylinderkopfes 1o4 in Verbindung steht. Der Steuerkolben 112
ist in der Brennkammer durch Dichtungsringe 118 gewöhnlicher Art abgedichtet. Ein
Fortsatz 152 des Steuerlzolbens 112 ist durch ein festes Verbindungsglied 128 an
die Schwingplatte 126 angeschlossen. Das andere Ende dieser Schwingplatte 126 ist
am die Kolbenstange 136 eines Servomotors gleichfalls durch .ein festes V.erbindungsglied
132 angeschlossen. Als Lager für die Schwingplatte dient eine ebenfalls feste Verbindung
130 mit dem Zylinderkopf ro4. Die Kolbenstange 13,6 sitzt an einem Servomotorkolben
138, der sich in einem. Servomotorzylinder 134 bewegt. Bei der Bewegung des Kolbens
im Zylinder wird der Steuerkolben 112 im Zylinderkopf io4 verschoben. und verändert
dadurch das Brennkammervolum;en. Der Druck im Motorzylirnd-er 154 wirkt auf die
Unterseite des Steuerkolbens 112 mit einer Kraft, die gleich dem Produkt aus dem
Druck und der Kolbenfläche ist und durch die Schwingplatte 126 auf den Kolben 138
übertragen wird. Um dieses System. im Gleichgewicht zu halten, muß der Öldruck gegen
den Servoinotorkolhen 138, der durch die Leitung 152 ül;.ertrab°n wird, die auf
den Steuerkolben 112 ausgeübte Kraft abgleichen.
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Fig. 5 zeigt die Vorrichtung zum Rebeln des Öldruckes im Zylinder
13.1 in ihrem Einzelheiten. Die Druckflüssigkeit für den aus dem. Zylinder 134 und
dem Kolben 138 bestehenden Servomotor strömt hei 156 mit etwa konstantem Druck ein.
Unter normalen Arbeitsbedingungen genügt das Lecköl, das am Kolben vorbeigeht, zusammen
mit dem nachgespeisten Öl, um den Druck gegen, den Kolben 138 konstant zu
'halten und diesen, auf und ab zu bewegen., wie zum Ausgleich der Kraft vom Steuerkolben
112 erforderlich, wobei der Höchstdruck im Zylinder 154 auf seinem praktischen,
bei Vermeidung einer Zerstörung noch zulässigen Wert gehalten und damit der größtmögliche
thermische Wirkungsgrad erreicht wird. Wächst der Druck im Zylinder 154 schnell
an, wie es bei plötzlicher Mehrbelastung des Motors und dadurch bedingtes Öffnen.
der Drosselklappe vorkommt, so gestattet der Leckölfluß zwischen dem- Kolben
138
und dem Zylinder 134 keime genügend rasche Bewegung des Steuerkolbens
112 zur Vermeidung eines Explosionsschadens. Gemäß der Erfindung wird daher ein
Entlastungsventil 15S mit einer Sperrfläche 16o zwischen den Zylinder 134 und .einen
Ringauslaß 162 eingeschaltet. Das Ventil ist .ein Differentialventil, bei dem. die
wirkende Kraft gleich dem Produkt aus dem Flüssigkeitsdruck und dem Querschnitt
der Stange 164 ist. Die gegen diese von der Feder 166 ausgeübte, durch die Schraube
168 einstellbare Kraft reicht hin, um den Flüssigkeitsdruck auf die Stange abzugleichen..
Daher öffnet sich das Ventil erst bei einem bestimmten Flüssigkeitsdruck, der um
einen: bestimmten Betrag 'höher als der Druelc von der Druckquelle gewählt ist.
Wenn also der Druck im Zylinder 154 plötzlich ansteigt, wird eine Kraft auf den
Kolben 138 ausgeübt, die den Druck im Zylinder 134 so weit ansteigen. läßt, daß[
sich das Entlastungsventil 158 öffnet und somit das Kompressionsverhältnis rasch
herabsetzt.
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Jede der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält demnach
eine Einrichtung, um den Druck in der Brennkammer des Motors unter normalen Betriebsbedingungen.
etwa 'konstant zu halten sowie eine Einrichtung, um bei plötzlicher Mehrbelastung
das Kompressionsverhältnis rasch zu vermindern.
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Arbeitsweise Bei Stillstand des Motors ist 'kein. Druck auf dem Servomotor,
und das Kompressionsverhältnis des Motors ist auf einen Mindestwert eingestellt.
Beim Anlassen: versorgt die Ölpumpe den Servomotor mit Drucköl, so daß dieser ein
höheres Kompressionsverhältnis einstellt. In wenigen Sekunden erreicht das System
bei Leerlauf einen Gleichgewichtszustand, d. h. das Kompressi.onsvei'hältnis erreicht
seinen Höchstwert, indem der Steuerkolben völlig herabgedrückt ist. Bei Belastung
des Motors wächst die Menge des der Brennkammer zugeführten Gemisches. Der Druck
in, der Brennkammer steigt und damit auch die gegen denn Servomotorkolben ausgeübte
Kraft. Daher überwindet der Servomotorkolben den Öldruck und 'hebt den Steuerkolben,
so daß sich das Kompressionsverhältnis vermindert. Bei normalen Betriebsbedingungen
schwebt der Steuerkolben und hält den Druck in, der Brennkammer gerade auf dem konstanten
Wert, der ausreicht, um der Kraft des konstantem Öldruckes am Servomötorkolben das
Gleichgewicht zu halten.. Dabei wird das Kornpression.
sveriiältiiis
und damit auch der thermische Wirkungsgrad auf dem 'höchsten mit Rücksicht auf die
Gefahr der Zerstörung durch Überdruck noch zulässigen Wert gehalten. Es ist nicht
erwünscht, eit:e Druckölqu.ell.e zu verwenden., die einen hohen L üekverlust am
Servomotorkolben decken kann. Deshalb wird für den Fall plötzlichen Lastansti.eg°s
ein Entlastungsventil angebracht, das dabei das Komprjssionsver'hältn,is rasch herabsetzt.
Sobald die Motorbelastung so rasch steigt, daLl der Leckverlust am Servomotorkolben
dein Kollen nicht schnell genug auszuweichen gestattet, um d@:n 1,Totordruck unter
der gefährlichetr Grenze zu halten, -aitlast°t das Entlastungsventil sofort den
Servozvlitider und vermindert damit das Ko-mpressionsverhältnis sehr schnell.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsbeispiele
beschr@imkt, da Änderungen und Abwandlungen. möglich sind, die sich im Rahmen der
durch die Ansprüc'h-e unter Schutz gestellten Erfindung halten.