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Verfahren zum Betrieb von Dieselmotoren Es ist nicht möglich, das
in den Brennraum einer Dieselmaschine eingespritzte Treiböl unter Zuführung einer
Luftmenge zu verbrennen, die gerade der theoretischen Luftmenge entspricht, da man
in der sehr kurzen, zur Gemischbildung zur Verfügung stehenden Zeit den Brennstoff
nicht weitgehend genug in der verdichteten Luft verteilen kann. Es wird daher stets
ein gewisser Luftüberschuß benötigt, womit man das Verhältnis der wirklich gebrauchten
zur theoretisch erforderlichen Luftmenge bezeichnet. Je kleiner dieser Luftüberschuß
ist, um so weniger Luft gebraucht der Motor zur Verbrennung, um so mehr Treiböl
kann bei gegebenen Zylinderabmessungen in der Maschine verbrannt werden und um so
größer ist ihre Belastbarkeit. Im Betrieb macht sich die Leistungsgrenze durch das
Auftreten von Ruß im Abgas, d. h. durch eine sogenannte Abgastrübung bemerkbar.
Der Dieselmotor hat somit gegenüber solchen Motoren, die ohne Luftüberschuß oder
sogar im Gebiet des Luftmangels arbeiten können, den Nachteil einer gewissen Minderleistung
des Hubraumes.
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Der Luftüberschuß schwankt je nach der Art der Gemischbildung zwischen
io bis 30%. Bei Wirbelkammer- und Vorkammermotoren, d. h. bei solchen, in denen
für die Gemischbildung sehr kräftigt Luftbewegungen im Brennraum erzeugt werden,
kann der Luftüberschuß an der Rauchgrenze bis auf etwa io% herabgedrückt werden.
Man muß also annehmen, daß die Ausnutzung der Luft mit der Art
und
der Stärke der Gemischbildung in irgendeinem Zusammenhang steht, jedoch nicht etwa
verhältnisgleich, sondern die Ausnutzung des letzten Luftrestes würde eine Steigerung
der Gemischbildungsintensität um ein Vielfaches erfordern, was dann übermäßige Strömungsverluste
zur Folge hätte und unwirtschaftlich wäre. Die Ursache liegt auch hier, wie bereits
erwähnt, in den sehr kurzen Zeiten, in denen beim Dieselmotor das Gemisch gebildet
werden muß. Da nun aber die Dieselkraftstoffe im Laufe der Weiterentwicklung der
Dieselmotoren immer weitgehender den Charakter leichtflüchtiger Ottokraftstoffe
annehmen, so ergibt sich die Möglichkeit, Mittel zu verwenden, wie sie der Ottomotor
zur Gemischbildung benutzt. Dies würde beim Dieselmotor im Grenzfall dahin führen,
ein fertiges Gemisch anzusaugen. Wenn man jedoch die gesamte Brennstoffmenge bei
dem Dieselverfahren ansaugen würde, so wäre ein Betrieb infolge des hohen Verdichtungsverhältnisses
durch das auftretende Zündungsklopfen nicht mehr möglich.
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Der Vorschlag, in einem Dieselmotor einen Teil des Brennstoffes mit
der Ansaugeluft einzuführen, ist schon sehr alt (vgl. die Patentschrift zog i86).
Bei diesem sogenannten Dieselgasverfahren wurde nach der Einführung der Hauptmenge
des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft nur eine kleine Menge flüssigen Brennstoffes
zum Zwecke der Zündung des hochverdichteten Gemisches, kurz bevor der Kolben den
oberen Totpunkt erreicht hat, nachgespritzt. Derartige Verfahren benutzte man ebenfalls,
um schwer entzündliche Arbeitsbrennstoffe besser verbrennen zu können, und zwar
wurde bei jenen bekannten Verfahren der gesamte Arbeitsbrennstoff nach vorhergehender
Vergasung oder Zerstäubung mit der Ladeluft oder zu Beginn der Kompressionsperiode,
der Hilfsbrennstoff als Zündbrennstoff dagegen erst gegen Ende der Kompressionsperiode
in den Arbeitszylinder eingeführt (vgl. die Patentschrift 332 5a4). Mit diesen Verfahren
ließ sich jedoch niemals der Luftüberschuß gänzlich aufbrauchen, sondern nach wie
vor blieb auch hier eine Minderleistung des Hubraumes.
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Denselben Nachteil konnte auch ein weiteres bekanntgewordenes Verfahren
nicht beseitigen, das darin besteht, daß vor oder bei Beginn des Kompressionshubes
Brennstoff in den Zylinder eingespritzt wird, worauf das Gemisch ohne weitere Einspritzung
von Brennstoff verdichtet wird, und in der zweiten Hälfte des Verdichtungshubes
dem bereits erzeugten Brennstoff-Luft-Gemisch weitere Mengen desselben Brennstoffes
zugeführt werden, so daß alsdann die Zündung durch Kompressionswärme herbeigeführt
wird. Auch bei dieser Art Einspritzung, die stets durch ein und dieselbe Düse und
ausschließlich in den Arbeitszylinder erfolgt, kann keine Ausnutzung des Luftüberschusses
erreicht werden, weil hierbei die für eine vollkommene Gemischbildung erforderlichen
Raum- und Zeitbedingungen nicht erfüllt sind.
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Es ist andererseits auch bereits ein Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen
mit einem bei der Verdichtungstemperatur der Maschine nicht zündenden Betriebsbrennstoff
und Zündung durch einen Zündbrennstoff vorgeschlagen worden, bei dem gegebenenfalls
der Betriebsbrennstoff in die Ansaugleitung und der Zündbrennstoff unmittelbar in
den Arbeitszylinder eingespritzt wird. Dieses bekannte Verfahren dient vor allem
dem Zweck, eine unterschiedliche Zündfähigkeit der eingespritzten Brennstoffe durch
bestimmte Zusätze zum Ausgangsbrennstoff herbeizuführen; eine Ausnutzung des Luftüberschusses
beim Verbrennungsvorgang in der Maschine gehört weder zur Aufgabenstellung dieses
Verfahrens, noch ist durch dasselbe ein diesbezüglicher Lösungsweg angegeben.
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Demgegenüber betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb von
Dieselmotoren mit unterteilter Kraftstoffeinspritzung, bei dem unter Beibehaltung
der bei diesen Motoren üblichen Druckeinspritzung in den Zylinder ein Teil der Kraftstoffmenge
am Ende des Verdichtungshubes in den Zylinder eingespritzt wird, während ein weiterer
Teil des Kraftstoffes vor Beginn der Verdichtung in das Saugrohr der Maschine eingeführt
wird.
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Zweck der Erfindung ist es, den Luftüberschuß beim Verbrennungsvorgang
voll auszunutzen, und dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der in das
Saugrohr eingeführte Kraftstoffteil so bemessen ist, daß er den bei der Verbrennung
der in den Zylinder eingespritzten Hauptkraftstoffmenge nicht ausgenutzten Luftüberschuß
aufbraucht und vorzugsweise ro bis 3o% der in den Zylinder eingeführten Hauptkraftstoffmenge
ausmacht.
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Hierbei kann nach weiteren Merkmalen der Erfindung entweder für beide
Brennstoffteile der gleiche Treibstoff, und zwar vorzugsweise ein leichtflüchtiger
Dieselkraftstoff, verwendet werden, oder es wird nur für die erste Brennstoffeinführung
ein leichtflüchtiger Dieselkraftstoff verwendet.
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Da sich bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die.nur bis zu einem
Drittel der Hauptkraftstoffmenge betragende, in die Ansaugleitung eingespritzte
Kraftstoffmenge auf die gesamte Ansaugluft verteilt, entsteht ein so armes Gemisch,
daß während des Verdichtungshubes trotz der sehr hohen Verdichtung nur eine unbedeutende
Vorverbrennung stattfindet, die nicht die Eigenschaften der klopfenden Verbrennung
aufweist. Da außerdem der Zeitraum für die Vermischung der mit der Ansaugluft in
den Zylinder gelangenden Kraftstoffmenge sehr groß ist, werden diese Kraftstoffteile
besser mit der Verbrennungsluft gemischt, als es in der sehr kurzen Zeit während
der eigentlichen Einspritzung des Kraftstoffes durch die Einspritzdüse der Fall
ist. Die in die Ansaugleitung eingebaute Düse kann dabei sehr weich, d. h. ohne
besondere Durchschlagskraft und speziell darauf abgestimmt sein, den zusätzlich
eingespritzten Kraftstoff auf die Verbrennungsluft zu verteilen. Während es bislang
nur schwer möglich war, etwa ro bis 30% mehr Kraftstoff als dem normalen Luftüberschuß
entsprechend einzuspritzen und diesen Kraftstoff mit der Verbrennungsluft vollkommen
zu vermischen, gelingt dies nach der Erfindung durch die besondere Art der Zweiteilung
der Brennstoffeinführung ohne weiteres.
Nach einem weiteren Merkmal
wird das erfindungsgemäße Verfahren in der Weise zur Anwendung gebracht, daß die
Einführung des ersten Kraftstoffanteils nur dann erfolgt, wenn die Leistung der
Maschine über die normale Höchstleistung hinaus gesteigert werden soll. Die Saugrohreinspritzung
tritt danach jeweils erst dann in Tätigkeit, wenn von dem Motor die Spitzenleistung
verlangt wird, während etwa bis zu dem bei einer nicht aufgeladenen Maschine üblichen
Mitteldruck die Einspritzung des Brennstoffes nur durch die übliche Kraftstoffeinspritzpumpe
und Düse erfolgt. Soll dieser Mitteldruck erhöht werden, so wird die zusätzliche
Kraftstoffmenge nicht durch die Kraftstoffeinspritzpumpe und die Düse, sondern durch
Zugabe zur Ansaugeluft in den Zylinder eingebracht, während die Einspritzdüse ihre
normale Fördermenge beibehält. Auf diese Weise erhält man auch günstigen Teillastverbrauch.
Im Vollastzustand wird dann je nach der Leistungserhöhung der Luftüberschuß mehr
oder weniger weit ausgenutzt. In anderen Fällen, wo eine besondere Gangruhe des
Motors verlangt wird, wird man eine Saugrohreinspritzung, wenn auch unter Umständen
in vermindertem Umfange, auch im Teillastgebiet beibehalten, da mit der Saugrohreinspritzung
eine merkliche Dämpfung des Zündgeräusches verbunden ist. Hieraus geht hervor, daß
es möglich ist, das Verfahren nicht allein zur Leistungssteigerung anzuwenden, sondern
auch dann, wenn über die normale Höchstleistung nicht hinausgegangen werden soll.
Im letzteren Fall wird man die Einspritzung für die Normalleistung mengenmäßig so
aufteilen, daß etwa 8o bis 85 % des Brennstoffes nach der bisherigen bekannten Art,
15 bis 2o% durch Saugrohreinspritzung in die Ansaugeluft eingebracht werden.
Als Kennzeichen für die Menge; die in das Saugrohr eingespritzt wird, kann immer
der Hinweis dienen, daß je nach der Eigenschaft des Kraftstoffes, vor allem nach
seiner Zündwilligkeit und seiner Klopfneigung, nur so viel Kraftstoff voreingespritzt
werden darf, daß eine Verdichtungszündung dieser Kraftstoffmenge nicht oder nur
in unbedeutendem Maße auftritt.
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Die Voreinspritzung in das Saugrohr erfolgt gegebenenfalls zweckmäßigerweise
unter Verwendung eines Vergasers oder Druckzerstäubers. Das neue Verfahren eignet
sich vor allem für leichtzündende Kraftstoffe mit guter Verdampfbarkeit, d. h. also
für Benzine, welche sich im Ottomotor schlecht verarbeiten lassen, z. B. wie sie
in dem Anfangsstadium der Hydrierung anfallen. Es wird zweckmäßig für die Dieseleinspritzung
und die Saugrohreinspritzung der gleiche Kraftstoff verwendet. Die Verwendung verschiedener
Kraftstoffe, und zwar vornehmlich eines leichtflüchtigen Kraftstoffes für die Saugrohreinspritzung,
ist möglich, bringt aber die Schwierigkeit mit sich, zwei Kraftstoffarten mitführen
zu müssen.