DE3326133C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine aufladbare
Verbrennungskraftmaschine mit Selbstzündung nach dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
Es ist bekannt, daß der Verbrennungsdruck und somit
die Ausgangsleistung eines Motors vergrößert wird, wenn
der Vorverdichtungsdruck erhöht wird, so daß die
maximale Ausgangsleistung des Motors durch den maximal
statthaften Druck festgelegt ist.
Es ist möglich, die Leistung zu erhöhen, während der
maximale Verbrennungsdruck unterhalb des maximal
statthaften Druckes gehalten wird, indem das
Verdichtungsverhältnis vermindert wird. Dies führt
jedoch zu Problemen, wie beispielsweise zu
Schwierigkeiten beim Starten des Motors, zu
Fehlzündungen während eines Betriebes mit geringer Last
usw. Im Falle eines Dieselmotors, der so ausgelegt
ist, daß er mit einem Verdichtungsverhältnis von
ungefähr 8 : 1 arbeitet, ist es möglich, einen
mittleren effektiven Druck von ungefähr 32 kg/cm2
zu erzielen. In dem Fehlzündungsbereich, der in Fig. 1
schraffiert dargestellt ist, ist jedoch der auf den
Motor wirkende Lastpegel gering, so daß der Turbolader
seine Leistung nicht ausüben kann. Infolgedessen
werden der Druck und die Temperatur der angesaugten
Luft herabgemindert, so daß die gewünschte
Zündtemperatur im Verdichtungshub nicht erreicht wird.
In solch einem Fall werden auf der Abgasseite weiße
oder blaue übel riechende Dämpfe von dem Motor
abgegeben und der Motor ist schließlich nicht mehr
betriebsfähig aufgrund von Fehlzündungen.
Um dieses Problem zu vermeiden, sind zwei
Gegenmaßnahmen vorgeschlagen worden, nämlich ein
Verfahren mit veränderlicher Kompression und ein
Überlagerungsverfahren. Diese Gegenmaßnahmen sind
jedoch nur bei Waffen benutzt worden, da die erstere
Maßnahme einen komplizierten Steuermechanismus
erfordert, während die letztere Maßnahme den Nachteil
eines großen Abfalles in der thermischen
Leistungsfähigkeit aufweist.
Aus der DE-OS 30 17 471 ist bereits eine aufladbare
Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1 bekannt. Der in dieser Druckschrift
beschriebene Verbrennungskraftmaschine liegen
verschiedene Probleme zugrunde, die beim Stand der
Technik aufgetreten sind. So soll der
Treibstoffverbrauch im Teillastbereich dadurch
reduziert werden, daß die negative Arbeit bei
Teillasten auf einen kleinstmöglichen Wert verringert
wird. Ferner soll die höchstmögliche Ausgangsleistung
der Aufladeeinrichtung bei mittleren Drehzahlen des
Motors erreicht werden, wobei die Gasströmungs- und
Wärmeenergie, die der Abgasturbine des Turboladers
zugeführt wird, und der Druck, der vom Kompressor des
Turboladers erzeugt wird, konstant gehalten werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine
Steuerventileinrichtung im Einlaßkanal angeordnet, die
in Abhängigkeit von bestimmten Motor-Betriebsparametern
betätigbar ist.
Bei dem bekannten Verbrennungsmotor im Bereich eines
geringen Verdichtungsverhältnisses, d. h. in dem
Bereich, in dem Fehlzündungen beim Betrieb mit geringer
Last auftreten, ist die Leistung des Turboladers
gering. Unter diesen Umständen wird auf der Abgasseite
weißer oder blauer übel riechender Rauch abgegeben und
der Motor ist schließlich wegen häufiger Fehlzündungen
nicht mehr betriebsfähig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die
bekannte aufladbare Verbrennungskraftmaschine mit
Selbstzündung dahingehend zu verbessern, daß die
Maschine auch bei niedrigen Verdichtungsverhältnissen
bzw. bei geringer Last, insbesondere durch
Abgasrücksaugung in stabiler Weise arbeiten und
Fehlzündungen vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die den
Patentanspruch 1 kennzeichnenden Merkmale gelöst.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird auf überraschend
einfache und vorteilhafte Weise erreicht, daß die
aufladbare Verbrennungskraftmaschine sogar bei
vermindertem Verdichtungsverhältnis betrieben werden
kann, ohne daß es zu Fehlzündungen und instabilem
Verhalten mit allen bekannten nachteiligen Folgen kommt.
Ein Motor mit Selbstzündung gemäß der vorliegenden Erfindung
sei nunmehr anhand eines in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein Diagramm der Betriebscharakteristik eines
Motors mit Selbstzündung, wobei insbesondere die
Fehlzündungszone über dem Ausgangsdrehmoment und
der Motordrehzahl eingezeichnet ist;
Fig. 2 eine Schnittansicht einer Abgasturbine eines turbo
geladenen Motors gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in
Fig. 2;
Fig. 4 eine Schnittansicht eines Teiles der Abgasturbine
entlang der Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 5 ein PV-Diagramm;
Fig. 6 eine Schnittansicht eines Teiles eines 4-Takt-Motors
gemäß der Erfindung;
Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie VII-VII in
Fig. 6;
Fig. 8 und 9 Darstellungen zur Veranschaulichung des Öff
nungsbereiches des Einlaßventiles und des Druckes
in dem Zylinder in Abhängigkeit von der Stellung
der Kurbelwelle;
Fig. 10 eine Vorderansicht eines Nockens;
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines turbogeladenen
Motors mit Selbstzündung gemäß der Erfindung;
Fig. 12 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung
zwischen der Motordrehzahl und dem polytropischen
Index im Kompressionshub; und
Fig. 13 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Leistung
eines Turboladers.
Gemäß den Fig. 2 bis 4 besitzt das Turbinengehäuse 1 eines
Turboladers eine Düse 2, die mit mehreren Düsenrippen mit
strömungsdynamischem Profil versehen ist. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel besitzt die Düse 2 drei Düsenrippen 2 a,
2 b und 2 c. Abgas, das von einem Abgaseinlaß 3 kommt, wird
beschleunigt und entsprechend ausgerichtet, wenn es durch
die Düse 2 fließt und treibt sodann eine Turbine 4 an.
Ein Rotor 5 ist mit Wellen 5 c und 5 d (siehe Fig. 3) versehen,
die drehbar in Lagern durch das Turbinengehäuse 1 und einen
Deckel 6 abgestützt sind. Ein Hebel 7 ist mit der Welle 5 c
befestigt. Wenn der Hebel 7 eine in ausgezogenen Linien dar
gestellte Stellung einnimmt, so nimmt der Rotor 5 ebenfalls
eine Stellung ein, die durch ausgezogene Linien dargestellt
ist. Die Düse 2 kann von herkömmlicher Konstruktion sein.
Wenn der Hebel 7 im Uhrzeigersinn gedreht wird, wie dies
durch den Pfeil in Fig. 2 angedeutet ist, so wird der Rotor
5 ebenfalls gedreht und bewegt ein Ende 5 a in die Düse 2,
wodurch die Durchtrittsfläche der Düse verringert wird.
Demzufolge wird der Druck in dem Abgaseinlaß 3, d. h. der
Abgasdruck des Motors erhöht und die Geschwindigkeit des
durch die Düse 2 fließenden Gases wird ebenfalls erhöht,
wodurch die Ausgangsleistung der Turbine 4 ansteigt. In
folgedessen wird die Antriebsleistung zum Antrieb des
Kompressors erhöht und der Ladeluftdruck angehoben.
Wenn der Hebel 7 in die durch eine gebrochene Linie in Fig. 2
dargestellte Position gedreht wird, so kann das Ende 5 a des
Rotors 5 in die dargestellte Stellung bewegt werden, um eine
Düse mit extrem kleiner Durchtrittsfläche zu bilden. In die
sem Zustand ist die Wirksamkeit der Turbine gering und der
Druck an dem Turbineneinlaß ist sehr viel höher als der Druck
an dem Kompressorauslaß.
Wie aus dem PV-Diagramm in Fig. 5 erkennbar, muß der Motor
Arbeit entsprechend dem schraffierten Bereich verrichten,
um Abgas auszustoßen, so daß der Brennstoffverbrauch un
vermeidbar ansteigt. In dem Betriebszustand mit geringer
Drehzahl und geringer Last ist diese Arbeit des Motors
wesentlich für den Betrieb des Turboladers, und der Lade
druck kann angehoben werden auf Kosten einer Reduktion
der thermischen Wirksamkeit.
Der Rotor 5 ist mit einer Durchtrittsöffnung 5 b versehen,
die während des Normalbetriebs geschlossen gehalten wird,
wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die Düsen-Durchtritts
fläche wird jedoch vermindert, wenn der Rotor 5 im Uhrzei
gersinn gedreht wird. Zur gleichen Zeit bildet die Durch
trittsöffnung 5 b eine Verbindung zwischen der Düse 2 und
einer Durchführung 8, die mit dem Kompressorauslaß des
Turboladers über einen Verbindungsanschluß 9 verbunden ist.
Beim Betrieb des Motors mit hoher Drehzahl und ohne Last
kann die Arbeit entsprechend dem schraffierten Bereich in
Fig. 5, d. h. die negative Arbeit, als eine Abgasbremse ver
wendet werden.
Fig. 4 zeigt einen Zustand, in welchem der Rotor 5 im Gegen
uhrzeigersinn gedreht worden ist. Wie aus der Figur erkenn
bar, erzeugt der Rotor in dieser Stellung den gleichen
Effekt, wie wenn er im Uhrzeigersinn gedreht wird.
Der Turbolader gemäß der Erfindung kann sogar einen hohen
Ladedruck aufrechterhalten, wenn die Fließgeschwindigkeit
der Luft gering ist, indem der hohe Gasdruck am Turbinen
einlaß wirksam ausgenutzt wird. Wie noch näher beschrieben
wird, ist es möglich, Fehlzündungen während des Betriebs
mit geringer Last zu verhindern, indem dieses Merkmal wirk
sam ausgenutzt wird.
Fig. 6 zeigt einen 4-Takt-turbogeladenen Motor mit Selbst
zündung gemäß der Erfindung. Der Motor besitzt mehrere
Zylinder 10, von denen nur einer dargestellt ist und die
jeweils einen Kolben 11 gleitend und hin- und hergehend
aufnehmen, wobei der Kolben 11 gelenkig mit dem oberen
Ende einer Kolbenstange 12 verbunden ist. Das untere Ende
der Kolbenstange 12 ist mit einer nicht dargestellten
Kurbelwelle verbunden. Der Zylinder 10 weist einen Zylinder
kopf 13 auf, in welchem eine Einlaßöffnung 14 und eine Aus
laßöffnung 15 angeordnet sind. Ein Einlaßventil 16 und ein
Auslaßventil 17 sind in den Öffnungen 14 und 15 entsprechend
angeordnet.
Ein Drehventil 19 ist in einem Einlaßrohr 18 angeordnet,
welches die Einlaßöffnung 14 und den in dieser Figur nicht
dargestellten Turbolader verbindet. Das Drehventil 19 wird
durch die Kurbelwelle des Motors über einen Getriebemechanis
mus angetrieben, so daß es als ein Steuerventil dient, wo
bei ein Beispiel eines solchen Mechanismus weiter unten
anhand der Fig. 7 erläutert wird.
Das Drehventil 19 ist durch einen Stift 21 mit einer An
triebswelle 20 befestigt und zwischen Buchsen 22 und 23
auf der Welle 20 eingespannt. Eine weitere Buchse 24 wird
ebenfalls von der Antriebswelle 20 getragen. Die Antriebs
welle 20 ist drehbar durch Kugellageranordnungen 25, 26
und 27 abgestützt, die entsprechend zwischen den Buchsen
22, 23 und 24 und der Wand des Einlaßrohres 18 angeordnet
sind.
Eine Welle 32 ist drehbar durch einen Rahmen 28 über Kugel
lageranordnungen 29 und 30 abgestützt und dient dem Antrieb
eines Schaltzahnrades 31, welches antriebsmäßig mit der
nicht dargestellten Kurbelwelle über einen Getriebemecha
nismus verbunden ist. Die Antriebswelle 20 ist mit der Welle
32 über ein Einstellglied 33 verbunden, wobei dieses Ein
stellglied der Einstellung der Öffnungs- und Schließungs
zeit dient.
Wie aus Fig. 9 erkennbar, ist das Drehventil 19 so ausge
legt, daß es in einem Intervall von ungefähr 90° öffnet und
schließt. Das Drehventil 19 wird mit einer Geschwindigkeit
angetrieben, die der Hälfte der Geschwindigkeit der Kurbel
welle entspricht.
Andererseits erstreckt sich die Periode des Ansaughubes des
Motors über ungefähr 180° einer Umdrehung der Kurbelwelle.
Daher besitzt das Drehventil 19 eine Öffnungsperiode von
ungefähr 180°, bezogen auf eine Kurbelwellenumdrehung, wie
dies auch für das Einlaßventil 16 der Fall ist.
Nachstehend sei unter spezieller Bezugnahme auf Fig. 7 der
Aufbau der Mittel beschrieben, die dem Einstellen der Öff
nungs- und Schließungszeit des Drehventiles 19 dienen.
Die gegenüberliegenden Enden der Antriebswelle 20 und die
drehbare Welle 32 sind mit spiralförmigen Kerbverzahnungen
20 a und 32 a mit entgegengesetzter Verzahnungsrichtung ver
sehen. Die Kerbverzahnungen 20 a und 32 a befinden sich mit
Ansätzen in Eingriff, die an der inneren Umfangsfläche des
Einstellgliedes 33 angeformt sind. Die Anordnung ist der
gestalt, daß bei einer Bewegung des Einstellgliedes 33 in
einer axialen Richtung die Antriebswelle 20 einer Winkel
drehung in einer vorbestimmten Richtung in bezug auf die
drehbare Welle 32 ausführt, während durch eine Bewegung des
Einstellgliedes 33 in der entgegengesetzten axialen Richtung
eine entgegengesetzte Winkelbewegung der Antriebswelle 20
hervorgerufen wird. Es ist somit möglich, den Zeitpunkt der
Drehbewegung der Antriebswelle durch Bewegung des Einstell
gliedes 33 zu verändern und hierdurch die Öffnungs- und
Schließungszeiten des Drehventils 19 einzustellen.
Die axiale Bewegung des Einstellgliedes 33 wird durch eine
hin- und hergehende Bewegung des Einstellhebels 34 hervor
gerufen, der mit einem Ende in einer ringförmigen Aufnahme
nut 33 a in der äußeren Umfangsfläche des Einstellgliedes
33 angeordnet ist. Der Einstellhebel 34 ist durch eine Welle
35 hin- und hergehend gelagert. Das andere Ende des Hebels
34 ist mit einem Steuermechanismus verbunden, der in Fig. 7
nicht dargestellt ist.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 8 und 9 sowie auf das PV-Dia
gramm sei nachfolgend die zeitliche Betätigung des Einlaß
ventils 16 und des Drehventils 19 erläutert.
In den Fig. 8 und 9 zeigen die ausgezogenen Kurven A in dem
oberen Teil des Diagramms den Anhebungs- bzw. Öffnungsbe
reich des Einlaßventils 16 in bezug auf die Winkelstellung
der Kurbelwelle des Motors, während die gestrichelten Linien
B zeigen, wie der Öffnungswinkel bzw. der Öffnungsbereich
verändert wird.
Im Vollastbetrieb des Motors beginnen gemäß Fig. 8 sowohl
das Einlaßventil 16 als auch das Drehventil 19 am Anfang
des Ansaughubes zu öffnen, wobei dies bei einem Punkt a in
der Nähe des unteren Umkehrpunktes geschieht. Am Ende des
Ansaughubes beginnen sowohl das Einlaßventil 16 als auch
das Drehventil 29 in einem Punkt zu schließen, der in der
Nähe des Punktes b liegt. Das PV-Diagramm im Vollastbetrieb
ist somit identisch mit demjenigen bei einem herkömmlichen
Motor.
Während des Betriebs mit geringer Last, auf welchen Betrieb
sich die Erfindung bezieht, beginnt gemäß Fig. 9 das Dreh
ventil 19 zu öffnen, bevor das Einlaßventil 16 öffnet, was
durch die gestrichelte Kurve B veranschaulicht ist. Dies
geschieht aufgrund der axialen Bewegung des Einstellgliedes
33 und durch den Einstellmechanismus, der noch weiter er
läutert wird. Somit erfolgt kein Ansaugen, wenn das Dreh
ventil 19 anfänglich öffnet, da das Einlaßventil 16 in die
sem Moment noch geschlossen ist. Wenn das Einlaßventil 16
zu öffnen beginnt, so ist das Drehventil 19 nahezu voll
ständig geöffnet und das Drehventil 19 schließt an einem
Zwischenpunkt c des Ansaughubes. Das Einlaßventil 16 schließt
am Ende des Ansaughubes nahe dem unteren Umkehrpunkt des
Kolbens 11.
Wenn das Einlaßventil 16 am Anfang des Ansaughubes zu öffnen
beginnt, so ist das Drehventil 19 vollständig geöffnet, so
daß die Luft in den Zylinder 10 eingeführt wird. An einem
Zwischenpunkt 1 des Ansaughubes ist jedoch das Drehventil
19 geschlossen, wie aus der Kurve in dem unteren Teil von
Fig. 9 hervorgeht und durch Vergleich mit der gestrichelten
Linie B verständlich wird.
In diesem Moment wird das Auslaßventil 17 in Fig. 7 durch die Wirkung
eines Hilfsnockens geöffnet, was später im Zusammenhang mit
Fig. 10 erläutert wird, so daß die heißen Auslaßgase mit
einem durch den Turbolader angehobenen Druck in den Zylinder
hineingezogen werden. Das Auslaßgas wird nur während der
zwischen den Punkten 1 und 2 in Fig. 9 dargestellten Periode
eingeführt.
In diesem Zustand ist die Einlaßöffnung durch das Drehventil
19 geschlossen worden, so daß das Abgas mit hohem Druck und
hoher Temperatur nicht nach der Einlaßseite des Motors ent
weicht. Das in den Zylinder eingeführte Gas mit hohem Druck
heizt und komprimiert die Luft in dem Zylinder 10, um eine
Mischung mit extrem hoher Temperatur und extrem hohem Druck
am Beginn des Kompressionshubes zu bilden, was in Punkt 2
in Fig. 9 veranschaulicht ist. In diesem Augenblick werden
sowohl das Einlaß- als auch das Auslaßventil 16 bzw. 17 ge
schlossen, um die Zündung sicherzustellen, die am Ende des
nunmehr begonnenen Kompressionshubes stattfindet.
Fig. 10 zeigt einen bekannten Nocken des erfindungsgemäßen
Motors. Der Nocken besitzt zwei Nockenteile, nämlich einen
Hauptnocken 36 und einen Hilfsnocken 37. Der Hauptnocken
36 besitzt die gleiche Funktion wie der gewöhnlicherweise
den Auslaß steuernde Nocken und dient der Öffnung des Aus
laßventils 17 während des Auslaßhubes, während der Hilfs
nocken 37 dem Öffnen des Auslaßventiles 17 in einem Augen
blick in der Nähe des unteren Umkehrpunktes beim Ansaughub
dient, was aus Fig. 9 erkennbar ist.
Eine Erläuterung bezüglich des Aufbaues und der Arbeitsweise
des turbogeladenen Motors mit Selbstzündung, der erfindungs
gemäß so ausgelegt ist, daß er sogar bei geringem Kom
pressionsverhältnis arbeitet, sei nunmehr gegeben.
Gemäß Fig. 11 wird die verdichtete Luft bzw. das Luftge
misch, das von dem Kompressor 41 des Turboladers 40 abge
geben wird, in die Zylinder 46 des Motors über ein Einlaß
rohr 42, einen Einlaßkrümmer 43, einen Luftkühler und Ver
zweigungsrohre 45 eingeführt. Die von dem Motor 46 ausge
stoßenen Abgase wirken auf eine Abgasturbine 48 (vom glei
chen Typ wie die Turbine 4 in den Fig. 2-4) eines Turbo
laders 40 über ein Abgasrohr 47. Die Abgasturbine 48 ist
mit einer veränderlichen Düsen-Durchtrittsfläche versehen,
wie dies in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt ist. Das Abgas
treibt sodann die Turbine an und wird auf atmosphärischen
Druck entspannt, bevor es in die Atmosphäre abgegeben wird.
Eine Antriebswelle 49, die mit einem Ende der Kurbelwelle
verbunden ist, rotiert zusammen mit der Kurbelwelle beim
Betrieb des Motors 46. Die Antriebswelle 49 trägt an ihrem
einen Ende ein Zahnrad 50, das mit einem Schaltzahnrad 51
kämmt, um verschiedene Einrichtungen anzutreiben, wie bei
spielsweise eine Nockenwelle mit dem Nocken 36 gemäß Fig.
10, eine Brennstoff-Einspritzpumpe usw. Das Zahnrad 50
kämmt ebenfalls mit dem Antriebszahnrad 52, um das Dreh
ventil, das als Steuerventil dient, anzutreiben. Das Zahn
rad 50 treibt das Zahnrad 52 mit einer Geschwindigkeit an,
die der Hälfte der Kurbelwellengeschwindigkeit entspricht.
Drehventile 53 mit zwei Flügeln ähnlich dem Drehventil 19,
welches in Fig. 6 dargestellt ist, sind in den Einlaß-Ver
zweigungsrohren 45 angeordnet, die zu den Einlaßöffnungen
der Zylinder des Motors 46 führen. Diese Ventile sind auf
einer gemeinsamen Antriebswelle 54 gelagert. Die Betriebs
zeitpunkte der Drehventile 53 werden durch einen Mechanismus
eingestellt, der im wesentlichen demjenigen entspricht, der
zuvor anhand von Fig. 7 erläutert wurde. Der Mechanismus
umfaßt eine drehbare Welle 55, die zusammen mit dem An
triebszahnrad 52 dreht und die koaxial auf die Antriebs
welle 54 ausgerichtet ist und mit dieser über ein Einstell
glied 56 verbunden ist. Spiralförmige Kerbverzahnungen 54 a
und 55 a sind auf den gegenüberliegenden Enden beider Wellen
angeordnet und weisen eine entgegengesetzte Verzahnungs
richtung auf. Die schraubenförmigen Kerbverzahnungen be
finden sich mit Ansätzen im Eingriff, die auf der inneren
Umfangsfläche des Einstellgliedes 56 angeordnet sind. Das
Einstellglied 56 weist in seiner äußeren Umfangsfläche eine
ringförmige Aufnahmenut 57 auf, die das eine Ende eines
Einstellhebels 59 aufnimmt, der hin- und hergehend durch
eine Welle 58 gelagert ist. Das andere Ende des Hebels 59
ist mit einem Gelenk 60 einer Gelenkstange 61 und einem
flexiblen Kabel 62 verbunden. Die Gelenkstange 61 ist an
ihrem rechten Ende mit dem einen Ende eines Hebels 63 ver
bunden, welcher an seinem anderen Ende schwenkbar auf einer
Welle 64 gelagert ist. Die Welle 64 ist drehbar in dem Ein
laßrohr 42 abgestützt. Ein Schaltventil 65 sitzt auf dem
anderen Ende der Welle 64 und kann mittels dieser Welle hin-
und herbewegt werden zwischen einer ersten Position, in der
es der aufgeladenen Luft den Durchfluß durch einen Luftküh
ler 66 gestattet und einer zweiten Position, in welcher es
die Luft durch eine Umgehungsleitung 67 leitet.
Das rechte Ende des flexiblen Kabels 62 ist mit einem Hebel
68 verbunden, der im wesentlichen dem Hebel 7 entspricht,
wie er in den Fig. 2 bis 4 dargestellt ist und der der
Veränderung der Düsen-Durchtrittsfläche der Turbine dient.
Der Rotor 69, der im wesentlichen dem Rotor 5 gemäß den
Fig. 2 bis 4 entspricht, wird durch den Hebel gedreht, um
die Durchtrittsfläche der Turbinendüse zu verändern. Wie
im Falle des Rotors 5 ist der Rotor 69 mit einer Durchgangs
öffnung ähnlich der Durchgangsöffnung 5 b in den Fig. 2 bis
4 versehen. Diese Durchgangsöffnung ist mit einem Bypass 42 a
versehen, der mit der Einlaßöffnung 42 in Verbindung steht.
Ein Zylinder 70 weist einen Kolben 71 auf, mit welchem das
eine Ende einer Kolbenstange 72 verbunden ist, deren anderes
Ende mit dem rechten Ende des Gestänges 60 verbunden ist.
Eine Feder 73 ist zwischen dem Kolben 71 und dem Zylinder 70
angeordnet und spannt den Kolben nach rechts in Fig. 11 vor.
Ein Einlaß in der rechten Wand des Zylinders 70 steht über
ein Rohr 74 in Verbindung mit dem Einlaßrohr 42. Der Kammer
zwischen dem Zylinder und dem Kolben 71 wird verdichtete
Luft zugeführt, die von einem Kompressor 41 abgegeben wird.
Der Turbolader weist eine hohe Leistung und Wirksamkeit in
dem gewöhnlichen Betriebsbereich auf, d. h. in dem Bereich
außerhalb des schraffierten Bereichs in Fig. 1. In dem
gewöhnlichen Betriebsbereich werden daher ein genügend
hoher Ladedruck und eine genügend hohe Lufttemperatur er
zielt, um eine gute Betriebscharakteristik des Motors vor
zugeben.
Die Erfindung bietet Vorteile besonders im Betriebsbereich
mit geringer Last, d. h. in dem schraffierten Bereich in
Fig. 1, was aus der nachfolgenden Beschreibung verständlich
wird.
Gewöhnlich ist die Betriebscharakteristik eines turbo
geladenen Motors dergestalt, daß bei einer Abnahme der von
dem Motor betriebenen Last der Ladedruck und die Lufttem
peratur abgesenkt werden.
Eine Erläuterung sei nachstehend für den Fehlzündungsbereich
1 in Fig. 1 vorgenommen. Eine Druckverminderung in dem Ein
laßrohr 42 ruft eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn des
Hebels 59 um die Achse der Welle 58 über die Wirkung des
Kolbens 71, der Kolbenstange 72 und der Verbindungsstange
60 hervor. Demzufolge wird der Hebel 63 im Uhrzeigersinn
durch die Verbindungsstange 61 gedreht, die den Hebel 59
und den Hebel 63 miteinander verbindet, so daß das Schalt
ventil 65, das an den Hebel 63 angeschlossen ist, in die
Stellung bewegt wird, die in Fig. 11 durch ausgezogene
Linien dargestellt ist, wodurch der Luftfluß über den
Bypass 67 erfolgt und der Luftkühler 66 umgangen wird. So
mit ist im Gegensatz zu dem Betriebsfall bei schwerer Last
die Verminderung der Lufttemperatur und die Fehlzündung des
Motors vermieden.
Wenn der Luftdruck und die Temperatur weiter in dem Fehl
zündungsbereich 2 abgesenkt werden, so wird der Kolben 71
weiter nach rechts bewegt, um den Hebel 68 und den Rotor 69
zu drehen.
Diese Verhältnisse seien in näheren Einzelheiten unter Be
zugnahme auf Fig. 12 erläutert. In diesem Zustand des Motor
betriebs hat der Hebel 7 ungefähr die Hälfte seines Gesamt
hubes durchlaufen, so daß der Durchlaßbereich der Turbinen
düse nahezu um die Hälfte vermindert ist. Wenn sodann der
Abgasdruck erhöht wird, wird die Turbine 48 (entsprechend
der Turbine 4 in Fig. 4) angetrieben und beschleunigt den
Kompressor 41, so daß der Abgabeluftdruck und die Temperatur
angehoben werden, um ein Fehlzünden des Motors zu verhindern.
Der Fehlzündungsbereich 3, der in Fig. 1 dargestellt ist,
stellt den wichtigsten Faktor dar, der die Entwicklung eines
turbogeladenen Motors mit Selbstzündung und mit geringem
Verdichtungsverhältnis verhindert.
Fig. 12 zeigt die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und
dem polytropischen Index bei Kompressionshub. Wie aus dieser
Figur erkennbar ist, erfolgt der Temperaturanstieg der ver
dichteten Luft in dem Zylinder, wenn der Motor mit geringer
Drehzahl läuft, nicht auf adiabatische Weise, sondern es
geht ein beträchtlicher Betrag an Wärme bei jedem Kompres
sionshub verloren.
Andererseits weist der mit dem Motor kombinierte Turbolader
eine Leistung auf, die durch eine Kurve 1-2-3-4 in Fig. 13
veranschaulicht ist. Insbesondere entspricht der Punkt 1
einem Leerlaufzustand des Motors, während der Punkt 2 das
Druckverhältnis anzeigt, das erreicht wird, wenn der Motor
mit voller Last bei der momentanen Drehzahl betrieben wird.
Der Bereich 3 bildet den Bereich, in welchem das Verdichtungs
verhältnis gering ist, und der polytropische Index, der die
Wärmeübertragung zu dem Zylinder und anderen Teilen angibt,
ist groß, so daß der durch die Verdichtung hervorgerufene
Temperaturanstieg gering ist, während der Turbolader nahezu
unwirksam ist. Gemäß der Erfindung ist es jedoch möglich,
Fehlzündungen sogar in diesem Bereich 3 zu vermeiden.
Eine Verminderung des Ladedrucks veranlaßt die Feder 73 den
Kolben 71 weiter nach rechts zu drücken, so daß der Hebel 7
und der Rotor 5 des in Fig. 2 dargestellten Turboladers in
die durch die strichpunktierte Linie dargestellte Position
bewegt werden, um drastisch die Durchtrittsfläche der Düse
zu vermindern, was über das mit dem Hebel 59 verbundene
flexible Kabel 62 geschieht.
Demzufolge wird der Abgasdruck angehoben, um die Fließge
schwindigkeit des aus der Düse austretenden Gases zu er
höhen, so daß die Turbine ihre Leistung zum Antrieb des
Kompressors erhöht.
Wenn jedoch die Motordrehzahl gering ist, d. h. wenn die
Versorgungsluftzufuhr zu dem Motor gering ist, so kann der
Kompressor nicht die Luft mit dem hohen Druckverhältnis
liefern, da ein Pumpbereich vorliegt, wobei dies auch zu
trifft, wenn die durch die Gasturbine gelieferte Antriebs
leistung groß ist.
Bei dem Turbolader, auf den sich die Erfindung bezieht, öff
net daher die Durchführung 5 b in dem Rotor 5 an ihrem einen
Ende nach der Durchführung 8 und an ihrem anderen Ende zu
der stromabwärtigen Seite des verminderten Durchtrittsbe
reiches der Düse, der durch ein Ende 5 a des Rotors 5 und
ein Ende 1 a des Gehäuses 1 bestimmt ist. Die Durchführung 8
ist über einen Verbindungsanschluß 9 und durch den Bypass
42 a mit der Abgabeseite des Kompressors des Turboladers ver
bunden, d. h. mit dem Einlaßrohr 42 gemäß Fig. 11, so daß ein
Teil der Turbinendüse 2 in Verbindung mit der Einlaßseite
gebracht wird.
Der hohe am Turbineneinlaß 3 verfügbare Abgasdruck wird in
kinetische Energie umgewandelt, wenn das Abgas durch die
Düse mit kleiner Durchtrittsfläche fließt, wobei die Durch
trittsfläche durch das eine Ende 5 a des Rotors und das eine
Ende 1 a des Gehäuses 1 definiert ist, so daß der Gasdruck an
der stromabwärtigen Seite der Düse gering ist.
Da sich die Durchführung 5 b nach der Niederdruckseite öff
net, ist es möglich, die Luft der Abgasseite zuzuführen.
Gemäß Fig. 13 kann die Luft mit einem Betrag entsprechend der
Differenz zwischen 2 b und 2 a über die Durchführung 5 b
(siehe Fig. 2) vorbeiströmen, so daß der Kompressor 41 die
Luft mit einer Geschwindigkeit und einem Druck verdichtet,
wie dies durch 2 b dargestellt ist, und diese von dem Ansaug
bereich ablenkt, so daß der Motor die Luft mit einem Druck
und einer Geschwindigkeit ansaugt, wie dies durch 2 a ver
anschaulicht ist.
Erfindungsgemäß ist es ferner möglich, die Emission von
übelriechenden weißen bzw. blauen Dämpfen sowie eine Fehl
zündung zu verhindern, indem die Temperatur am Beginn des
Kompressionshubes angehoben wird, wie dies aus der nach
stehenden Beschreibung verständlich wird.
Wie zuvor vermerkt, ist in diesem Betriebszustand die Wirk
samkeit des Turboladers gering und der Abgasdruck wird im
Vergleich zu dem Ladedruck angehoben. In diesem Zustand ar
beitet der Motor gegen eine angehobene Last, um die negative
Arbeit entsprechend dem schraffierten Bereich in Fig. 9 zu
überwinden. Demzufolge wird der Kraftstoffverbrauch des
Motors erhöht und die Abgastemperatur wird ebenfalls erhöht.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Lufttem
peratur am Beginn des Kompressionshubes zu erhöhen, indem
diese heißen Abgase wirksam benutzt werden. Insbesondere
wird bei dem erfindungsgemäßen Motor der Hebel 59 gemäß
Fig. 11 im Gegenuhrzeigersinn gedreht, wie dies zuvor er
läutert wurde, so daß das Einstellglied 56, das sich mit
einem Ende dieses Hebels in Eingriff befindet, nach links
bewegt wird. Demzufolge wird der Schließzeitpunkt des Dreh
ventils gemäß Fig. 9 nach vorne verlegt.
Gleichzeitig mit dem Schließen der Einlaßöffnung durch das
Drehventil öffnet der Hilfsnocken 37 gemäß Fig. 10 in einem
Augenblick 1 gemäß Fig. 9, so daß das Abgas mit hohem Druck
und hoher Temperatur zurück in den Zylinder fließen kann.
Somit wird von dem Augenblick 1 bis zu dem Augenblick 2 gemäß
Fig. 9 die Luft in dem Zylinder durch das in den Zylinder
eingeführte Abgas unter Druck gesetzt und aufgeheizt, so daß
beim Beginn des Verdichtungshubes innerhalb des Zylinders
eine hohe Temperatur vorliegt. Der Motor mit Selbstzündung
kann daher sogar bei einem verminderten Verdichtungsverhält
nis betrieben werden, ohne daß Fehlzündungen auftreten oder
übel riechende weiße bzw. blaue Abgase abgegeben werden.
Es liegt für den Fachmann auf der Hand, daß der gleiche Vor
teil ebenfalls erzielt werden kann, indem der Schließzeit
punkt des Einlaßventils in einen Punkt c gemäß Fig. 9 durch
irgendeine bekannte geeignete Maßnahme verschoben wird.
Ein aufgeladener Motor mit Selbstzündung besitzt einen Turbo
lader (40) zur Vorverdichtung des Motors, einen Mechanismus
(56, 59) zur Steuerung des Schließzeitpunktes der Einlaß
öffnung (42) des Motors und einen Hilfsnocken zum Öffnen
des Ablaßventils des Motors in einem Punkt in der Nähe
des unteren Umkehrpunktes des Ansaughubes. Die Durchtritts
fläche der Turbinendüse des Turboladers wird durch einen
rotorähnlichen Mechanismus (69) gesteuert. Eine Durchführung
innerhalb des rotorähnlichen Mechanismus öffnet sich zu der
stromabwärtigen Seite dieses Mechanismus. Die Durchführung
steht mit dem Einlaßrohr des Motors über eine Durchführung
(42 a) in Verbindung.
Claims (3)
1. Aufladbare Verbrennungskraftmaschine mit
Selbstzündung, mit
- - einem Turbolader, der einen Turbinenteil aufweist, der von den Auspuffgasen des Motors antreibbar ist und einen Kompressorteil, der in einem Einlaßkanal des Motors angeordnet ist;
- - Ein- und Auslaßventilen;
- - einem im Verbrennungsraum-Einlaßkanal angeordneten steuerbaren Ventil zum Verändern des Querschnittes des Verbrennungsraum-Einlaßkanals; und
- - einer Einrichtung zum Öffnen des Auslaßventils an einem Punkt in der Nähe des unteren Ansaughub-Umkehrpunktes, um bei Betrieb mit geringer Last Auspuffgase zur Verbrennungskammer zurückzuführen;
dadurch gekennzeichnet,
- - daß ein Regelorgan (5, 69) im Einlaßkanal (3) des Turbinenteiles (48) angeordnet ist, um die Querschnittsflächen des Turbinen-Einlaßkanals zu variieren; und
- - daß das Regelorgan (5, 69) einen Durchgang (5 b) aufweist, um die stromab gelegene Seite des Regelorgans (5, 69) mit einem Bypass (42 a) zu verbinden, der mit dem Turbinen-Einlaßkanal verbunden ist.
2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Entgegenwirkung der
Temperaturabnahme im Verbrennungsraum-Einlaßkanal
(42) ein Ventil (65) in der Einlaßöffnung des
Einlaßkanals (42) vorgesehen ist, das die
Luftdurchtrittsmenge durch eine Kühleinrichtung (66)
reduziert und gleichzeitig durch ein Umgehungsrohr
(67) erhöht.
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