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Arbeitsverfahren für eine durch einen Abgasturbolader aufgeladene
Viertaktbrennkraftmaschine, insbesondere Dieselmaschine Die Erfindung betrifft ein
Arbeitsverfahren für durch einen Abgasturbolader hoch aufgeladene Viertaktbrennkraftmaschinen,
insbesondere Dieselmaschinen, bei dem bei hoher Leistung ein möglichst geringer
Brennstoffverbrauch erreicht wird.
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Hochaufgeladene Brennkraftmaschinen, d. h. solche mit einem Ladedruck
über z kg/cmz und einem mittleren Nutzdruck über 12 kg/cm2, sind bereits verschiedentlich
verwirklicht worden, ohne daß allerdings damit eine wesentliche Senkung des Brennstoffverbrauches
gegenüber üblichen und bekannten Werten erreicht werden konnte. Es ist ferner bekannt,
daß u. a. durch Erhöhung des Verbrennungsdruckes oder durch geeignete Wahl des Verhältnisses
von Verbrennungshöchstdruck und Kompressionsenddruck sowie durch Änderung des Luftüberschusses
und Kühlung der Ladeluft ein Einfluß auf den Brennstoffverbrauch gewonnen werden
kann. Eine wesentliche Verringerung des Brennstoffverbrauches wird jedoch nur durch
die gemeinsame Anwendung verschiedener Maßnahmen erreicht, die einzeln oder auch
teilweise in Verbindung bereits vorgeschlagen oder verwendet worden sind.
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Es ist z. B. bekannt, zum Verringern des Brennstoffverbrauches den
Verbrennungsdruck zu erhöhen. Man kann dies bei Dieselmotoren beispielsweise dadurch
erreichen, daß man den Einspritzbeginn vorverlegt. Durch diese Maßnahme verbrennt
ein großer Anteil des eingespritzten Brennstoffes in der Nähe des oberen Totpunktes,
d. h. bei nahezu gleichbleibendem Volumen. Durch die größere Annäherung an die Gleichraumverbrennung
wird der innere Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschinen verbessert, was jedoch
nur so lange zu einer Verbesserung des effektiven Wirkungsgrades führt, bis die
mit steigendem Verbrennungsdruck wachsenden mechanischen Verluste den Vorteil der
schnelleren Verbrennung aufwiegen. Infolge
dieses Einflusses des
mechanischen Wirkungsgrades kann daher keinesfalls die allgemeine Folgerung gezogen
werden, daß bei einem gegebenen Ladedruck der effektive Wirkungsgrad um so besser
ist, je höher der Verbrennungsdruck gemacht wird. Die oben angegebene Regel, daß
der innere Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschinen um so besser wird, je größer
der Anteil des bei gleichbleibendem Volumen verbrennenden Brennstoffes ist, gilt
nur für den Fall, daß der Höchstdruck im Zylinder nicht begrenzt wird. In der Regel
kann man nur bei kleinen Motoren ohne Aufladung bzw. bei mäßig aufgeladenen Motoren
keine Rücksicht auf die entstehenden Verbrennungsdrücke nehmen. Dies ändert sich
grundsätzlich, wenn man zu sehr hohen Aufladungen übergeht, bei denen Gasdrücke
von zog atm und darüber auftreten. In diesem Falle muß man bestrebt sein, die durch
die mechanische Bemessung des Motors gegebene Grenze der zulässigen Druckhöhe auf
der einen .Seite weitgehend auszunützen, ohne sie auf der anderen Seite zu überschreiten.
Dabei ist es nach der Theorie am günstigsten, die Kompression möglichst nahe bis
an die höchst zulässige Druckhöhe zu treiben und einen möglichst hohen Anteil des
Brennstoffes bei gleichbleibendem Druck zu verbrennen. Diese Zusammenhänge sind
dem Fachmann zwar bekannt, doch läßt sich aus einer gewissen Gegensätzlichkeit der
Forderungen daraus nicht ohne weiteres ableiten, welche Verbrennungsdruckhöhe und
welche Drucksteigerung zwischen Kompressionsdruck und höchstem Verbrennungsdruck
einzustellen sind, um die erfindungsgemäß angestrebte Wirkung zu erreichen.
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Es ist ferner bekannt, daß bei Dieselmotoren der Luftüberschuß in
weiten Grenzen variiert und daß der indizierte, das ist der auf die Innenleistung
ohne Reibungsverluste bezogene Brennstoffverbrauch mit wachsendem Luftüberschuß
abnimmt. Zur Regelung der Leistung von Dieselmotoren wird üblicherweise nur die
eingespritzte Brennstoffmenge geändert, während die Luftmenge ungeändert bleibt.
Damit nimmt mit abnehmender Belastung der Luftüberschuß automatisch zu. Großer Luftüberschuß
bedeutet demnach auf der einen Seite also guter indizierter Verbrauch, auf der anderen
Seite Herabsetzen der Leistung, da bei der gegebenen Luftmenge im Zylinder nur eine
kleinere Kraftstoffmenge verbrannt werden kann. Bei nicht aufgeladenen Motoren liegt
die Luftüberschußzahl für Vollast zwischen A, = 1,2 bis i,8 je nach Motorgröße.
Das Optimum des Brennstoffverbrauches liegt in der Regel nicht bei der Vollast.
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Bei aufgeladenen Motoren wird zwar zur Herabsetzung der Temperatur
eine größere Gesamtluftüberschußzahl angewandt, doch teilt sich die Gesamtluftmenge
in Zylinderluft und in Spülluft. Nur die erstere steht zur Verbrennung des eingespritzten
Brennstoffes zur Verfügung, und die hierbei eingestellten Luftüberschußzahlen überschreiten
nicht die für Motoren ohne Aufladung üblichen Werte. Nachdem man bei den üblichen
aufgeladenen Motoren große Ventilüberschneidungen anwendet, werden beträchtliche
Mengen von Luft durch den Zylinder gespült. Mit abnehmender Leistung wird zwar infolge
des obenerwähnten Zusammenlanges zwischen Leistung und Luftüberschuß der indizierte
Brennstoffverbrauch besser, aber der mechä.nische Wirkungsgrad des Motors wird schlechter.
(Bei der effektiven Leistung o ist auch der mechanische Wirkungsgrad o.) Diese beiden
Einflüsse wirken so zusammen, daß bei nicht aufgeladenen bzw. bei den in der üblichen
Weise aufgeladenen Motoren der Bestwert des auf die effektive Leistung bezogenen
Brennstoffverbrauches bei Luftüberschußzablen um rund i,8 bis 2 liegt. Bei diesen
Motoren würde eine einfache Erhöhung des Luftüberschusses nicht zu dem Ziel eines
besseren Brennstoffverbrauches führen, da die Verminderung des indizierten Brennstoffverbrauches
mit wachsendem Luftüberschuß durch das Verschlechtern des mechanischen Wirkungsgrades
aufgehoben werden würde.
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Es ist auch berannt, durch, Kühlung der Ladeluft bei Hochdruckaufladung
eine Leistungssteigerung zu erwirken. Die erzielbare Senkung des Brennstoffverbrauches
ist jedoch geringfügig, wenn diese Maßnahme für sich allein angewandt wird, ebenso
wie die Anwendung der obenerwähnten Maßnahmen allein keine wesentliche Verbesserung
des Brennstoffverbrauches ergibt.
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Es wurde daher bereits versucht, verschiedene der bekannten Maßnahmen
gleichzeitig anzuwenden, um ein besseres Ergebnis zu erreichen. So hat man vorgeschlagen,
bei hoch aufgeladenen Brennkraftmaschinen die Verbrennungsdrücke auf mehr als das
Doppelte der bisher gebräuchlichen Drücke zu erhöhen, wobei gleichzeitig die Ladeluft
einer Zwischenkühlung unterworfen wird. Damit wird wohl eine Erhöhung des mittleren
effektiven Druckes in der Brennkraftmaschine erreicht, der Einfluß auf den Brennstoffverbrauch
ist aber keineswegs wesentlich.
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Selbst wenn man die Brennstoffverbrauchsverbesserung betrachtet, welche
sich aus der Summe der einzelnen für sich allein angewandten bekannten, vorerwähnten
Maßnahmen ergibt, so kann damit höchstens ein Wert von 5 bis 6 °/o erreicht werden.
Eine Verbrauchsverbesserung in dieser Größenordnung ist durch Anwendung der Abgasturboaufladung
in der üblichen Weise in Verbindung mit Ladeluftkühlung bekannt.
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. Um die gestellte Aufgabe, nämlich die wesentliche Verbesserung des
thermischen Wirkungsgrades von Dieselmotoren um rund i5 % bei gleicher Zylindergröße
und gleichen Verbrennungsverfahren zu lösen, müssen erfindungsgemäß bei einer hoch
aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem Ladedruck über 2 ata und einem mittleren
Nutzdruck über 12 kg/cm' folgende Maßnahmen gleichzeitig zur Anwendung gelangen.
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i. Anwendung von Verbrennungshöchstdrücken zwischen 85 bis 16o atü,
wobei das Verdichtungsverhältnis so gewählt wird, daß der Verbrennungshöchstdruck
mindestens i5 at über dem Kompressionsdruck liegt.
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2. Anwendung eines Luftüberschusses für die Verbrennung, der bei Vollast
mindestens das Doppelte der für vollkommene Verbrennung notwendigen Mindestluftmenge
beträgt, wobei eine Ventilüberschneidung-von der Größe benützt wird, daß die Restgase
im wesentlichen nur aus den Zylinder hinausgespült
werden, ohne
daß eine Überspülung des Zylinders stattfindet.
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3. Anwendung einer niedrigen Ladelufttemperatur bzw. Rückkühlung der
Ladeluft auf eine solche Höhe, daß die durch das Druckverhältnis des Laders gegebene
adiabatische Temperatursteigerung nicht überschritten wird.
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Die Verbrennungshöchstdrücke bei einer aufgeladenen Maschine auf die
erwähnte Höhe zu steuern, ist durchaus nicht selbstverständlich. Es ist vielmehr
bekannt und vielfach vorgeschlagen worden, bei höherer Aufladung das Verdichtungsverhältnis
zu vermindern bzw. andere Maßnahmen zu treffen, damit keine zu hohen Drücke auftreten.
So wurde beispielsweise bei der Aufladung von Zweitaktdieselmotoren vorgeschlagen,
Verdichtungs- und Verbrennungshöchstdrücke für verschieden hohe Aufladung gleich
zu halten. Nach anderer Ansicht sollen bei hoch aufgeladenen Brennkraftmaschinen
keine höheren Verbrennungshöchstdrücke als bei normal aufgeladenen Maschinen angewandt
werden. Diese Maßnahmen, die :Maschine nicht mit zu hohen V erbrennungshöchstdrücken
zu belasten, zeigen, daß es letzten Endes nicht für vorteilhaft angesehen wurde,
das Triebwerk des Motors so zu verstärken, daß Verbrennungshöchstdrücke in der angegebenen
Größenordnung aufgenommen werden können.
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Neben der Anwendung von Verbrennungshöchstdrücken zwischen 85 bis
16o atü ist aber auch die Wahl des geeigneten Verdichtungsverhältnisses von Bedeutung.
Bei gegebenem Höchstdruck ist nach dem theoretischen Diagramm der Wirkungsgrad eines
Verbrennungsmotors dann am höchsten, wenn dieser zulässige Höchstdruck bereits durch
die Verdichtung erreicht wird und die Verbrennung des eingespritzten Brennstoffes
ohne weitere "Drucksteigerung als Gleichdruckverbrennung erfolgt. Entgegen dieser
nach der Theorie günstigsten Einstellung wird nach der Erfindung das Verdichtungsverhältnis
so gewählt, daß durch die Verdichtung der zulässige Höchstdruck nicht erreicht wird,
sondern daß noch mindestens 15 at für eine durch die Verbrennung hervorgerufene
Drucksteigerung . zur Verfügung stehen. Diese Einstellung hat sich in der Praxis
als günstig und entscheidend zum Erreichen eines besten Brennstoffverbrauches erwiesen.
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Von besonderer Bedeutung ist jedoch die richtige Zuordnung der Luftüberschußzahl
zu der Leistung bzw. dem mittleren effektiven Druck. Dies geht aus dem Schaubild
hervor. Darin ist dei Verlauf des indizierten Kraftstoffverbrauches bi in Abhängigkeit
von der Luftüberschußzahl A, in der Kurve A dargestellt, wobei die Luftüberschußzahl
auf die für die Verbiennung tatsächlich zur Verfügung stehende Luft im Zylinder
(ohne Spülluft) bezogen wird. Diese Abhängigkeit soll für ein bestimmtes Verbrennungsverfahren
und eine bestimmte Zylindergröße sowohl ohne Aufladung als auch für eine Aufladung
in der bisher üblichen Form und auch für eine Aufladung nach der Erfindung gelten.
Die Kurven B und C beziehen sich auf den effektiven Brennstoffverbrauch b", der
mit dem indizierten Brennstoffverbrauch b i durch folgende Beziehung zusammenhängt:
b, = bi;'i)"" wobei il"Z den mechanischen Wirkungsgrad bedeutet. Die Kurve
B gilt für eine Aufladung nach bisher üblichen Verfahren. Hierbei wird während der
Ventilüberschneidung eine erhebliche Luftmenge durch den Zylinder gespült. Der für
die Verbrennung; zur Verfügung stehende Luftüberschuß liegt bei Vollast in der Regel
erheblich unter 2. Wenn dieser Luftüberschuß vergrößert wird, nimmt der Brennstoffverbrauch
nach der Kurve B ab.
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Im Gegensatz hierzu wird bei dem Arbeitsverfahren nach der Erfindung
keine oder nur sehr wenig Luft durch den Zylinder gespült. Die gesamte vom Gebläse
geförderte Luft steht im Zylinder zur Verbrennung zur Verfügung, womit man in den
Bereich des günstigeren indizierten Brennstoffverbrauches kommt (siehe Kurve C in
der Abbildung). Die Strecke x kennzeichnet den Vollastbereich bei Rufladung nach
dem Verfahren entsprechend der Erfindung. Damit diese Luftmenge im Zylinder zur
Verfügung steht, müssen allerdings die Ladedrücke höher werden als üblich. Die Temperaturen
steigen bei dem Arbeitsverfahren nach der Erfindung trotz Fehlens der Spülung nicht
an, da die Gesamtluftdurchsätze durch den Motor gegenüber dem üblichen Verfahren
nicht kleiner werden. Im Gegenteil tritt durch die-Verbesserung des Brennstoffverbrauches
eine Senkung der Temperaturen bei gleicher spezifischer Leistung ein. Aus der nachstehenden
Tabelle ist in Abhängigkeit von der Luftüberschußzahl der Brennstoffverbrauch be,
der effektive Druck P, und der mechanische Wirkungsgrad vergleichsweise für einen
normal aufgeladenen und einen hoch aufgeladenen Motor entsprechend der Erfindung
ersichtlich,
| Normal aufgeladener und Hoch aufgeladener Motor |
| hoch aufgeladener Mbtor Normal aufgeladener Motor nach neuer
Erfindung |
| nach Erfindung |
| A B I C - |
| r 2 3 4 5 6 7 |
| " g/PSh kg/cmz ?i"'' g/PSh kg/cm2 g/PSh |
| 1,5 153 10,0 o,86 178 25 0,925
166 |
| Z, o 134 -8,0 0,84 160 2o 0,915 1:46 |
| 215 125 5,0 0177 164 15 0,893 140 |
| 3,0 121 3,0 o,68 177 10 0,858 141 |
In Spalte i steht die Luftüberschußzahl A., der Verbrennungsluft
im Zylinder ohne Spülluft, die in der Abbildung als Abszisse aufgetragen ist. In
Spalte 2 ist der zu der betreffenden Luftüberschußzahl gehörende indizierte Brennstoffverbrauch
angeführt, das sind die Werte der Kurve A aus der Abbildung. Die Spalten 3 bis 5
gelten für einen normal aufgeladenen Motor. Hier hat man damit zu rechnen, daß mit
einer Luftüberschußzahl von 1,5 im Zylinder ein mittlerer Nutzdruck von io kg/cm2
erreicht werden kann, mit höher werdenden Luftüberschüssen werden die mittleren
effektiven Drücke niedriger. Einem mittleren Nutzdruck von io kg/cm" entspricht
bei der Viertaktmaschine ein mechanischer Wirkungsgrad von rund o,86, woraus sich
dann nach der oben angegebenen Formel ein effektiver Brennstoffverbrauch von 178
g/PSh ergibt. Bei einer Luftüberschußzahl von 2,5 z. B. ist die Leistung dieser
Maschine nur etwa 5,o kg/cm2, der mechanische Wirkungsgrad 77,, = o,77, der Verbrauch
da-raus 164 g/PSh.
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Bei einem Motor nach der Erfindung wird die Zuordnung zwischen Luftüberschuß
im Zylinder und mittlerem effektivem Nutzdruck abweichend von bisherigen Ausführungen
gänzlich geändert. Nach der Spalte 6 würde einem Luftüberschuß von 1,5 ein mittlerer
Nutzdruck von 25 kg/cm2 entsprechen, einem Luftüberschuß von 2,o ein solcher von
2o kg/cm2, einem Luftüberschuß von 2,5 ein solcher von 15 kg/cm2 usw. Diese andere
Zuordnung zwischen Luftüberschuß und Leistung kann man nicht einfach durch höhere
Aufladung erreichen, sondern durch eine von den bisher üblichen Gepflogenheiten
abweichende Auslegung der Aufladegruppe und durch Verzicht auf die Ventilüberschneidung,
wodurch die gesamte vom Verdichter geförderte Luft für die Verbrennung zur Verfügung
steht. Bekanntlich steigt der mechanische Wirkungsgrad mit zunehmender Belastung.
Bei 15kg/cm2 beträgt 7jm rund o,g, woraus sich dann ein effektiver Brennstoffverbrauch
von rund 140 g/PSh ergibt. Der theoretisch mögliche Luftüberschuß von A = 1,5, dem
ein mittlerer effektiver Druck von 25 kg/cm2 zugeordnet wäre, wird nicht ausgenutzt,
die Vollast wird auf etwa 15 bis 18 kg/cm2 begrenzt. Hierbei bleibt A, größer als
2,o. Die in der Spalte 8 angegebenen Werte entsprechen der Kurve C-des angeführten
Kurvenblattes.
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Ein weiterer Vorteil wird erreicht durch Kühlung der Ladeluft. Dadurch
wird das mittlere Temperaturniveau des Kreisprozesses gesenkt, wodurch erstens die
Wärmeverluste durch die Zylinderwandungen verkleinert werden und wodurch zweitens
die Betriebssicherheit der Maschine bei einer gegebenen Belastung steigt. Gleichzeitig
kann infolge der niederen Lufttemperatur ein größeres Luftvolumen gefördert werden
bei kleinerem Aufladegebläse.
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Durch die erfindungsgemäße Kombination und die Zuordnung zwischen
Luftüberschuß im Zylinder und mittlerem Nutzdruck, abweichend von dem bisher bekannten
Verfahren, ergibt sich ein Brennstoffverbrauch, der wesentlich unterhalb des bei
dem bisher üblichen Arbeitsverfahren für Brennkraftmaschinen erreichten Optimums
liegt. Diese Brennstoffverbrauchsverbesserung ist auch größer, als sich aus der
Summe der Teilbeträge der einzeln angewandten Maßnahmen errechnen läßt.