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Arbeitsverfahren für mit Gemischverdichtung und Zeitpunktfremdzündung
arbeitende Viertaktbrennkraftmaschine Um den spezifischen Kraftstoffverbrauch. von
den mit Gemischverdichtung und Zeitpunktfreindzündung arbeitenden Brennkraftmaschinen
zu verringern, wird allgemein eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses angestrebt.
Dabei müssen jedoch hochklopffeste Kraftstoffe Verwendung finden.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt eine Verringerung des spezifischen
Kraftstoffverbrauches durch Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrades, ohne
daß dazu Kraftstoffe höherer Oktanzahlen erforderlich wären. Dabei werden Einzelmaßnahmen
angewendet, die bei gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen, für sich allein betrachtet,
an sich bekannt sind, in ihrer gleichzeitigen Anwendung und Abstimmung aufeinander
aber einen. neuartigen Erfolg ergeben..
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Es handelt sich um die Kombination folgender Merkmale: a) Die angesaugte
Ladungsmenge wird durch Schließen des Einlaßve:ntils vor Beendigung des Ansaughubes
des Kolbens so begrenzt, daß das angesaugte Kraftstoff-Luft-Gemisch im Arbeitszylinder
einer Dehnung unterworfen und dadurch abgekühlt wird; b) durch entsprechen-de Bemessung
bzw. Ausbildung des Kompressionsraumes wird die vorher gedehnte Ladung beim Verdichtungshub
so hoch verdichtet, daß ihr durch Druck und, Temperatur bedingter Zustand. bei voll
geöffneter Drosselklappe gerade unterhalb der durch Kraftstoffeigenschaft,
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Brennraumform und Motorendrehzahl gegebenen. Klopfgrenze liegt; c) der Auslaß der
Verbrennungsgase bzw. die Öffnung des Auslaßventils beginnt im oder vor Erreichen
des äußeren Totpunktes während des Arbeitshubes.
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Das Merkmal a) ist bekanntgeworden als Maßnahme, um bei aufgeladenen.
Maschinen den Ladedruck zu begrenzen oder um die Füllung bei Teillast zu regeln.
Es ist auch aus dem Dampfmaschinenbau bekannt, daß bei Gleichdruckmaschinen eine,
auf die Zylindergröße bezogene"kleinere Füllung durch weitergehende Expansion eine
bessere Ausnutzung des Gleichstromproizesses ergibt, als dies bei einer größeren
Füllung in demselben Zylinder der Fall ist.
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Die Merkmale b) und c) sind im Prinzip aus Lehrbüchern bekannt. In
der deutschen Patentschrift 320921 ist z. B. die Anwendung der Merkmale a) bis c)
beschrieben mit dem Ziel, die aus dem Dampfmaschinenbau bekannte, weitergehende
Expansion. auf Gleichdruckverbrennungsmaschine mit Selbstzündung zu übertragen und
eine Regelungsmöglichkeit der Ladungsmenge zu. schaffen. Abgesehen davon, daß diese
Patentschrift auf damals noch mangelhaften Kenntnissen über das Wesen. .des Verbrennungsablaufes
basiert und eine reine Gleichdruckverbrennung voraussetzt, bezieht sie sich auch
aus-schliießdich auf einen Dieselprozeß.
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Im Gegensatz hierzu wird durch die vorliegende Erfindung eine Verminderung
des spezifischen Kraftstoffverbrauchs bei gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen
angestrebt, und zwar durch Erhöhung des »thermodynamischen« Wirkungsgrades, ohne
daß Kraftstoffe höherer Oktanzahlen erforderlich wären.. Dabei soll auch die kinetische
Energie der einströmenden Ladung zur Aufbereitung der Kraftstoffteilchen weitgehend
herangezogen werden.
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Die Erfindung sieht dazu vor, durch gleichzeitige Anwendung dieser
und anderer Merkmale das Dehnungsverhältnis gegenüber dem Verdichtungsverhältnis
zu erhöhen und dadurch einen höheren thermodynamischenWirkungsgrad zu.erreichen..
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Die Erfindung beruht im einzelnen darauf, daß durch früheres Schließen,
des Einlaßventiis nicbt nur die angesaugte Ladungsmenge begrenzt wird, sondern.
auch durch die Veränderung des Ein-, strömgesetzes ein Rückschieber der angesaugten
Ladung vermieden und die kinetische Energie der einströmenden. Ladung ausgenutzt
wird. In Verbindung damit ist ein höheres konstruktives Verdichtungsverhältnis möglich,
das durch höheren Kolben oder Abfräsen des Zylinderdeckels erreicht wird. Entsprechend
der kleineren Ladungsmenge und dem größeren .Dehnungsverhältnis kann der Auslaß
später als bisher üblich geöffnet werden, wodurch die Expansions- und Aussch,ubverluste
gesenkt werden können.
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Das Maß des früheren Schlusses des Einlaßventils bedingt auch die
Größe des Verdichtungsraumes, da bei Ende der Verdichtung Druck und Temperatur der
Ladung gerade an der durch die I<Uopffestigkeit des Kraftstoffes gegebene Grenze
- ein, gestellt werden. Beide Merkmale können so gewählt werden, daß die Verringerung
der Ladungsmenge leistungsmäßig gerade ausgeglichen, wird durch die Erhöhung des
thermodynamischen. Wirkungsgrades und die Ausnutzung der kinetischen. Energie der
einströmenden Ladung.
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Durch die Ausnutzung der kinetischen Energie der einströmenden Ladung
kurz vor dem früheren Schluß des Einlaßventils in. Verbindung mit einem erhöhten
Verdichtungsverhältnis, welches wiederum durch den früheren Einlaßschluß ermöglicht
wird, sowie dadurch, daß entsprechend der kleineren Ladungsmenge und dem größeren
Dehnungsverhältnis der Auslaß später als üblich geöffnet werden kann, wodurch die
Expansions- und Ausströmverluste gesenkt werden können, ergibt sich eine Gesamtwirkung,
die neuartig und wesentlich günstiger ist als die bisher bekannte, durch Aufwendung
der Einzelmerkmale allein zu erwartende Wirkung.
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Die Erfindung ermöglicht eine .bessere Ausnutzung der in den Arbeitszylinder
eingeführten Ladungsmenge, woben von der bisher üblichen Auffassung, daß ein, günstiger
Wirkungsgrad nur dann erzielbar ist, wenn ein möglichst großes Luftgewicht in den
Zylinder eingebracht wird,. bewußt abgegangen wird.
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Durch das Maß der Vorverlegung des Einlaßschlußzeitpunktes wird es
bei Anwendung der-Erfindungsvorschläge möglich, einen Drehmomentverlauf zu erreichen,
der mit fallender Drehzahl einen starken Anstieg des Drehmomentes bei gleichzeitiger
Senkung des spezifischen Kraftstoffverbrauches. ergibt.
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Um die damit erzielten, günstigen Betriebseigenschaften des Motors
hinsichtlich Leistung und Kraftstoffverbrauch nach Menge und Art auch bei Drosselung
der Ladungsmenge durch geringere Öffnung der Drosselklappe, also bei - verringerter
Leistung zu erhalten, wird der weiteren. Erfindung gemäß vorgeschlagen, das Gemisch
bei geringerer Öffnung der Drosselklappe wesentlich vor Erreichen des inneren Totpunktes
beim Verdichtungshub zu zünden (erhöhte Vorzündung), so daß auch beim Teillastbetrieb
der maximaleVerdichtungseriddruck durch Vorverbrennung eines Gemischteiles erreicht
wird. Die Zündverstellung kann dabei in Abhängigkeit von der Drosselklappenöffnung
erfolgen.
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Die aus dem erfindungsgemäßen Verfahren sich ergebende Bauweise hat
außerdem den Vorteil, daß mit den gleichen Bauteilen zwei Motoren verschiedener
Verwendungszwecke hergestellt werden können, und zwar eine Baureihe mit höherer
Leistung und normalem spezifischem Kraftstoffverbrauch und eine mit niedrigerer
Leistung und extrem niedrigerem spezifischem Kraftstoffverbrauch, wobei bei beiden
Motoren nur der Kolben und die Nockenweile verschieden, aber untereinander austauschbar
sind.
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Kolben. und Nockenwelle des zweiten Satzes können dabei dem erfindungsgemäßen
Verfahren entsprechend ausgebildet sein, d. h. die Nocken der Nockenwelle sind nach
dem erfindungsgemäßen. Verfahren
geforderten Ventilöffnungs- bzw.
Schließzeiten angepaßt, während die Kolben höher ausgebildet sind.
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Das Verfahren eignet sich auch besonders für die Umstellung bzw. den
Umbau überbemessener Mo:-to-ren, deren volle Höchstleistung nicht oder nur vorübergehend
benötigt wird, auf geringeren. Kraftstoffverbrauch, bei nahezu gleichbleibendem
Drehmoment im unteren Drehzahlenbereich und verminderter Höchstleistung. Der Erfindung
gemäß wird in diesen Fällen des nachträglichen Umbaues vorgeschlagen, das Verdichtungsverhältnis
durch höhere Kolben zu erhöhen.
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Die neuen Steuerzeiten werden vorschlagsgemäß durch teilweises Abschleifen
der alten Nockenlauffläche (etwa 0,5 mm), Aufschweißen; naturharten Materials
und erneutes Schleifen. der neuen. Nockenform erzielt.
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Durch die größere Oberflächenhärte des aufgetragenen. Laufflächenmaterials
kann dieVentilbeschleunigung erhöht und damit trotz verkürzter Steuerzeit der Nocken,
b,zw. Ventilhub beibehalten werden. In der Regel kann dabei durch Verstellen der
Nockenwelle der Zeitpunkt der Auslaßöffnung später gelegt werden.
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In der Zeichnung ist das neue Verfahren bzw. die sich daraus ergebende
neue Bauweise näher erläutert, und. zwar zeigt Fig. i ein schematisches Arbeitsdiagramm
für normalen Ladungswechsel und den gemäß der Erfindung geänderten Ladungswechsel
für Vollast, Fig. 2 dasselbe für Teillast, Fig. 3 a, 3 b einen. Schnitt durch einen
gemäß der Erfindung geänderten. Motor, Fig. q. eine gemäß der Erfindung geänderte
Nockenwelle im Schnitt.
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Die voll ausgezogenen Linien in der Fig. i entsprechen dem normalen
Ladungswechsel bei Vollast, während die gestrichelten Linien den geünderten Ladungswechsel
gleichfalls bei Vollast angeben. Wie man daraus erkennt, ist nach dem geänderten
Verfahren der Kompressionsraum von Vco bei normalem Ladungswechsel auf Vcl bei erfindungsgemäßem
Ladungswechsel verringert, entweder durch höhere Ausbildung des Kolbens oder entsprechende
Änderung der Hubverhältnisse oder des Zylinderkopfes. Der Ventilschluß des Ansaughubes
erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits im Punkt ES, so daß sich, wie
man aus der gestrichelten Diagrammlinie sieht, Druck (und Temperatur) der Ladungsmenge,
der beim Normalverfahren bei I liegt, bis zum Punkt II verringert. Trotzdem wird
infolge der Verringerung des Kompressionsraumes der durch III gekennzeichnete, beim
Normalverfahren erreichte Kompressionsdruck auch beim erfindungsgemäßen Verfahren
wieder erreicht, so daß die Drucksteigerung bei Verbrennung des Gemisches in beiden
Fällen die gleiche ist.
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Die Öffnung des Au.glaßventils, die beim Normalverfahren bereits im
Punkt Aö erfolgt, erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erst im Punkt Aj;
IV. Bei Teillast wird sogar gegenüber dem Normalverfahren, eine wesentliche Verbesserung
bzw. Drucksteigerung durch das erfindungsgemäße Verfahren, erzielt, indem die Zündung
im Punkt V.Z., d. h. also bereits vor Erreichen des inneren Totpunktes des Verdichtungshubes
(nach erfindungsgemäßer Änderung der Verhältnisse) erfolgt. Wie das Diagramm zeigt,
können bei Teillastbetrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl der Vorverdichtungsdruck
als auch der nach Verbrennung erreichbare Enddruck gegenüber dem Normalverfahren
gesteigert werden.
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Die Fig. 3 a zeigt einen Schnitt durch einem nach dem vorliegenden
Verfahren. arbeitenden Zylinder i, dessen. Normalkolben 2 um die Höhe 3 erhöht ist.
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Die Fig. 3 b zeigt einen. Schnitt durch einen nach dem vorliegendenVerfahren.
arbeitenden Zylinder i, bei dem die dem Kolben gegenüberliegende Brennraumbegrenzung
um die Höhe 3 tiefer gelegt ist.
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Bei der zugehörigen Nockenwelle q. ist der Nocken 5 durch. Aufschweißen
einer Hartmetallschicht 6 (Fig. q.) so geändert, daß die Schluß- bzw. Öffnungszeit
des zugehörigen. Ventils 7 und, die entsprechende Einstellzeit dem Verfahren gemäß
abgeändert wird.