DE2539007A1

DE2539007A1 - Mit vorverdichtung arbeitender verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2539007A1
Application number: DE19752539007
Authority: DE
Inventors: Thierry Andre; Jean Melchior
Original assignee: Etat Francais
Current assignee: Etat Francais
Priority date: 1974-09-10
Filing date: 1975-09-02
Publication date: 1976-03-25
Also published as: DE2539007C2; BE833263A; FR2284766A1; IN155546B; CA1039959A; SU665821A3; DD120242A1; US4114379A; NO147455B; LU73366A1; PL115975B1; CH595549A5; DK397975A; NL168030C; NO753067L; ATA681475A; FR2284766B1; NO147455C; DK147240C; IL47993A0

Description

Patentanwälte ' Dipl. Ing. H. Weickmann. Dipl. Phys. Dr. K Fincks
DipL Ing. F. A. Weickmann, Dipl. Chem. B. Huber 8 München 80, MöhlstraBe 22

ETAT FRANCAIS Represents par le Delegue Ministeriel pour l'Armement

14, rue Saint-Dominique, 75997 Paris Armees, Frankreich

Mit Vorverdichtung arbeitender Verbrennungsmotor·

Die Erfindung betrifft die mit Vorverdichtung gespeisten Verbrennungsmotoren, welche außer dem eigentlichen Motor ein Turbokompressoraggregat ^i^ wenigstens einem Kompressor und wenigstens einer den Kompressor antreibenden Turbine, eine Abzweigleitung, welche stand dg die von dem Verdichter gelieferte und von dem Motor nicht aufgenommene Luftmenge zu der Turbine durchlässt, und eine Hilfsbrennkammer, welche strömungsaufwärts von der Turbine angeordnet ist und in der Abzweigleitung strömende Luft empfängt» aufweisen·

Derartige Motoren sind in früheren Patenten des ETAT FRANCAIS beschrieben, insbesondere in der deutschen Patentanmeldung P 23·16.Ο27·2 vom 30. März 1973»

In. einfachen Fällen kann die Ab ζ Zweigleitung des Motors voll offen sein· Die in der obigen Patentanmeldung beschriebene ist mit Drosselinitteln mit stetig veränderlichem Durchtrittsquerschnitt versehen, welche im wesentlichen durch die alleinige Wirkung der strömungsaufwärts und strömungsabwärts von den Drosselmitfcöln herrschenden Drücke gesteuert werden, wobei die Zunahme des hinter der Drosselstelle herrschenden Drucks in dem Sinn der Verringerung des von der Drosselstelle dargebotenen Durchtrittsquerschnitts wirkt, während die Zunahme des vor der Drosselstelle herrschenden Drucks in dem Sinn der Vergrößerung des Querschnitts wirkt, so daß sich die durch die Drosse!mittel

ORIGINAL INSPECTED

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erzeugte D3?m@kdiffer^ng gleichsinnig mit dem in der Abzweigleitung vor der Broggelstelle herrschenden Druck ändert, was in der Tat In aügemeiiisn zweckmässig ist.

Die.Erfindung betrifft insbesondere, wenn auch nicht aussohLLießliek, Dieselmotoren (wobei dieser Ausdruck Motoren be2©ictoet, in welchen die Zündung des in -jeden Zylinder eingespritzten -Brennst off s allein durch die Temperatur und den Druck- erzeugt wird, welche von der Luft in dem Zylinder im Auge-nblick der Einspritzung erreicht werden), und wiederum im besonderen, wenn auch nicht ausschließlich, Dieselmotoren mit hohem VQrverdichtungsgrad (welcher 5 übersteigen kann) und einem verhältnismäßig kleinem Verdichtungsverhältnis (welches kleiner als 8 sein kann)· Derartige mit starker Vorverdichtung gespeiste Dieselmotoren, können je Arbeitsspiel vier bis fünf Mal mehr Brennstoff verbrennen, als der gleiche Motor ohne Vorverdichtung. Die Einspritzpumpe des Motors muß natürlich entsprechend bemessen sein· Um jedoch nicht die Temperatur der Gase (insbesondere die Temperatur der Auspuffgase) übermäßig zu erhöhen, was die Organe des Motors schnell zerstören könnte, ist es unerlässlich, dem Motor nicht nur die zur Verbrennung des eingespritzten Brennstoffs erforderliche iAiftmenge zu liefern, sondern auch einen Iaiftüberschuß (welcher 150 % derselben erreichen kann), welcher die Temperatur der Gase in den Zylindern des Motors auf einem annehmbaren Pegel halten soll. Anders ausgedrückt, es muß verhindert werden, daß der Gehalt (Verhältnis der eingespritzten Brennstoffmasse zu der dem Motor zugeführten Luftmasse) einen Grenzwert übersteigt·

Bs ist bereits vorgeschlagen worden, z.B. indem USA-Patent Nr. 3 096 615, einen mit Vorverdichtong gespeisten Motor dadurch zu schützen, daß die je Arbeitsspiel eingespritzte Brennst offmenge in Funktion der von dem Kompressor gelieferten Luftmenge begrenzt wird, d.h. praktisch in Funktion des Vorverdichtungsdrucks. Hierfür ist die Vorrichtung zur Speisung mit Brennstoff mit Mitteln zur Begrenzung der Fördermenge versehen, welche im allgemeinen in dem Fall einer mechanise hen Speisepumpe durch ein für den Vorverdichtungsdruck empfindliches Organ zur S©gelung der Stellung des "ZahnstaDgenanschlags gebildet werden. ■

Eine derartige Vorrichtung, welche als "passiv«

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"bezeichnet werden kann, da sie nur eine Begrenzungswirkung hat, schützt tatsächlich den Motor, indem sie die Steigerung der eingespritzten Brennst offmenge über den lüert hinaus verhindert _f welchen der Motor unter Berücksichtigung des Drucks am Einlaß, welchen man bei einem üblichen mit Vorverdichtung gespeisten Motor (ohne Vorwarnung der Auspuffgase vor der Zufuhr zu der Ohirbine) nicht beherrscht, ohne Gefahr zulassen kann. Bei einem Motor mit einer Hilfsbrennkammer der durch die obige USA-Patentschrift definierten.Art entgeht man diesem Problem nur, indem man für den praktisch konstanten Wert, auf welchem der Vorverdichtungsdruck gehalten wird, einen den ungünstigsten Betriebsbedingungen des Motors entsprechenden Pegel wählt, welcher somit für die meisten Betriebszustände zu hoch liegt, was den Sachteil eines übermäßigen Verbrauchs in der Hilfsbrennkammer mit sich bringt·

Außerdem hat die Begrenzung einen schweren Nachteil für jeden mit Vorverdichtung gespeisten Motor ohne ständig offene Abzweigleitung zur Folge· Sein Beschleunigungsvermögen wird nämlich sehr stark in einem ungünstigen Sinn beeinflusst, da die Erhöhung der in den Motor eingespritzten Brennstoffmenge, welche bei einer Beschleunigung erforderlich ist, durch die Begrenzungsmittel solange verzögert wird, bis der Vorverdichtungsdruck einen gesteigerten Wert erreicht hat, welcher den Rückgang des Zahnstangenanschlags der Brennstoffeinspritzpumpe bewirkt· Anders ausgedrückt, der Motor antwortet nur langsam auf eine Beanspruchung, welche in dem Sinn einer Erhöhung der Belastung oder der Drehzahl gerichtet ist· Dieser Fehler ist umso ausgesprochener, je größer der Vorverdichtungsgrad bei Volllast ist· Er wird praktisch unannehmbar bei Motoren, welche zwangsläufig sehr schnell auf eine große Drehmomentanforderung ansprechen sollen und einen Vorverdichtungsgrad besitzen, welcher die bisher üblichen übersteigt, welche nicht 4 übersteigen.

Die Erfindung bezweckt, einen Verbrennungsmotor der obigen Art zu liefern, welcher besser als bisher den Erfordernissen der Praxis entspricht, insbesondere dadurch, daß die obigen Nachteile wenigstens in weitem Maße vermieden sind.

Hierfür schlägt die Erfindung e inen Motor vor"; bei •welchem die Mittel zur Regelung der der Hilfskammer von der Speisevorrichtung derselben gelieferten Brennstoff menge, welche

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Mittel den Yorverdichtungsdruck verhindern sollen, unter einen Sollwert herunterzugehen, ein für die je .Arbeitsspiel in den Motor eingespritzte Brennstoffmenge empfindliches Qcgan aufweisen, derart, daß jedem Wert dieser Brennstoffmenge ein besonderer und nur ein einziger Sollwert entspricht.

Tatsächlich wird ständig verhindert, daß das Massenverhältnis Luft/Brennstoff unter den Wert fällt, bei welchem die von den Gasen in dem Zylinder erreichte Höchsttemperatur für den Motor unzulässig wird. Hierzu ist noch zu bemerken, daß jeder Motor einen ihm eigentümlichen Begrenzungsfaktor besitzt, welcher je nach den Motoren die Temperatur der Auslaßventile, des Zylinderkopfs, des Kolbens usw. ist. Die höchste in Betracht zu ziehende Wärmebelastung ist die diesem Faktor entsprechende ·

Die Regelmittel können eine beliebige geeignete, pneumatische, elektrische oder elektronische Ausbildung haben. Palis die Vorrichtung zur Speisung der Hilf skammer mit Brennstoff pneumatisch gesteuert wird, ist im allgemeinen die Benutzung einer pneumatischen Sonde zweckmässig. In anderen Fällen können zweckmässig elektronische Mittel zur Regelung der der Hilfsbrennkammer gelieferten Brennstoffmenge benutzt werden.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig. 1 ist ein Diagramm, welches die Betriebsbedingungen -eines erfindungsgemäßen, mit Vorverdichtung und Verdichtungszündung arbeitenden Verbrennungsmotors zeigt.

Fig. 2 ist ein Prinzipschema eines mit Vorverdichtung arbeitenden Motors mit einer Vorrichtung zur Speisung mit Brennstoff mit einer mechanischen Pumpe und einer mechanischen Steuerung des Sollwerts.

Figo 3 ist eine Kurve, welche ein mögliches Gesetz der Änderung des Solldrucks in Funktion der je Arbeitsspiel in den Motor eingespritzten Brennstoffmenge darstellt.

Fig. 4 ist ein genaueres Schema, welches eine Ausführungsabwandlung der in Fig. 2 dargestellten Steuerung zeigt.

Fig. 5 ist ein Schema, welches vollständiger als Fig. 2 ist und eine Ausführungsabwandlung mit einer Vorrichtung zur automatischen Einstellung des Druckabfalls in der Ab-

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Zweigleitung auf einen von der Strömungsmenge in dieser leitung unabhängigen Wert zeigt.

Fig· 6 ist ein !Prinzipschema einer anderen Ausführun^sabwandlung mit elektronischer Steuerung·

Die Erfindung ist nachstehend beispielshalber in ihrer Anise n&ung auf ein Mot or aggregat "beschrieben, Elches einen Verbrennungsiaotor mit Verdichiamgs zündung mit verhältnismäßig geringem Verdichtungsgrad (kleiner als 8) enthält, welcher mit einem Turbokompressor zur Speisung mit Vorverdichtung mit einem gegenüber dem bisher üblichen Werten hohen Verdichtungsgrad versehen ist und eine Abzweigleitung aufweist, welche mit einer Brennkammer versehen ist, welche die gesamte Förderleistung des Kompressors, welche nicht von dem Motor aufgenommen wird, zu der Turbine durchlassen kann. Ein derartiges Aggregat ist schematisch in Pig. 2 dargestellt. Es enthält einen Verbrennungsmotor 10 mit seiner Einlaßleitung 11 und seiner Auslaßleitung 12, einen Turbokompressor mit dem Luftkompressor 13 und der Turbine 14, und einer Abzweigleitung 15, in welche eine Hilfsbrennkammer 16 eingeschaltet ist. Eine mechanische Pumpe 17 mit Steuerung durch einen von dem Motor angetriebenen Nocken spritzt ge Arbeitsspiel des Motors in jeden Zylinder eine durch die Stellung der Zahnstange 18 bestimmte Brennstoffmasse ein. Nachstehend ist angenommen, daß eine Verschiebung der Zahnstange nach rechts einer Vergrößerung der eingespritzten Brennstoffmasse entspricht. Schließlich enthält das Aggregat in der Abzweigleitung 15 Drosselmittel 19» welche automatisch den Druckabfall auf einen von der Strömungsmenge in der Leitung 15 unabhängigen Ufert einstellen, welcher eine, zweckmässig praktisch lineare, wachsende Punktion des Vorverdichtungsdrucks ist·

Das ßetriebsdiagramm eines derartigen Aggregats ist schematisch in Pig· 1 dargestellt, in welchem die Leistung W an der Motorwelle als Ordinaten und die Drehzahl des Motors 10 als Abszissen aufgetragen sind. Infolgedessen sind die Betriebskurven bei konstanter Drehzahl (d.ho bei der durch den Regler gegebenen Einstellung in dem Pail eines üblichen Dieselmotors) zu der Ordinatenachse parallele Gerade, während die Betrieb skurven bei konstantem Moment durch den Ursprung gehende

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Gerade sind·

"Der mögliche Betriebsbereich eines Dieselmotors wird einerseits durch Paktoren der mechanischen oder thermischen Widerstandsfähigkeit, und andererseits durch Bedingungen für das wirkliche Arbeiten, d.h. die Verdichtungszündung, begrenzt. Die entsprechenden Grenzen sind in Fig. 1 durch vollausgezogene Kurven dargestellt, welche verschiedene erfindungsgemäße Betriebsbereiche trennen.

Das grosste Moment, welches der Motor liefern kann, wird durch den höchsten, in den Zylindern zulässigen Druck begrenzt. Wenn angenommen wird, was in erster Annäherung zutrifft, daß dieses Moment von der Drehzahl unabhängig ist, wird die entsprechendö Grenze durch die durch den Ursprung gehende Gerade ,6 dargestellt. Wie jedoch weiter unten ausgeführt, ist es, wenn der Wirkungsgrad des Turbokompressors genügend groß ist, möglich, einen Teil der Auspuffgase ins Freie abzuführen (weiter unten mit III bezeichneter Bereich), und man kann das Moment noch vergrössern und trotzdem in den zulässigen Druckgrenze;n bleiben,.

Die Wärmebelastung an der kritischen Stelle des Motors (Temperatur am Auslaß, am Zylinderkopf oder am Kolben) darf nicht einen einer schnellen Zerstörung entsprechenden Wert erreichen. Die entsprechende Grenze ist in Form einer angenähert geraden. Kurve 7 dargestellt, welche eine Auslaßtemperatur von 600° C darstellt, welche man als für die gegenwärtigen Motoren charakteristisch ansehen kann.

Die Drehzahl des Motors ist begrenzt. Unter der Annahme, daß die Grenzdrehzahl von dem Moment unabhängig ist, wird sie durch eine zu, der Ordinatenachse parallele Gerade 8 z.B. für 2500 π/mn dargestellt.

: Der Motor muß arbeiten können, d.h. die Selbstzündung muß stattfinden, wenn die Hilfsbrennkammer abgestellt ist, was der Grenzkurve 9 entspricht.

In Fig. 1 sind noch als Hinweis gestrichelte Kurven angegeben, welche verschiedenen Auslaßtemperaturen (400 C und 500° C) und verschiedenen Vorverdichtungsdrücken entsprechen.

Die Kurve 8 stellt offenbar eine absolute Be trieb sgrenze dar. Der Bereich ABDF oder Bereich I, welcher innerhalb der Kurven 6, 7, 8 und 9 liegt, entspricht einem Betrieb

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ohne merkliche Wirkung der Brennkammer (welche erloschen ist oder sich im Bereitschaftsbetrieb befindet)· Der Bereich ODFG oder Bereich II entspricht dem Eingreifen der Vorwärmmittel, um in an sich bekannter Weise zu verhindern, daß der Vorverdichtungsdruck Ps unter einen Sollwert heruntergeht, was bedeutet, daß diese Mittel die Speisung der Kammer 16 erhöhen, wenn die Leistung des Motors 10 abnimmt. Um in dem Bereich ABG oder Bereich IV zu arbeiten, muß ein Bruchteil der der Turbine zuströmenden Gase ins Freie abgeführt werden, um den Vorverdichtungsdruck auf einen solchen Pegel zu begrenzen, daß der höchste Brenn st off druck in den Zylindern annehmbar bleibt.

Schließlich ist in dem Bereich OBD oder Bereich III das Arbeiten nur durch Anwendung der Erfindung möglich. In diesem Bereich muß nämlich verhindert werden, daß die Auslaßtemperatur den zulässigen Wert übersteigt, indem der Sollwert so angehoben wird, daß der Grenzgehalt in don Zylindern eingehalten wird. Der Sollwert muß so beschaffen sein, daß der Vorverdichtungsdruck (und somit die von dem Verbrennungsmotor aufgenommene Luftmenge) einen genügenden Pegel haben, um die Auslaßtemperatur auf einen annehmbaren, der Linie DB in Fig. 1 entsp zechende η Wert zurückzuführen·

Wenn man jetzt annimmt, daß das Arbeiten mit konstantem Moment einer konstanten je Arbeitsspiel eingespritzten Brennstoffmenge entspricht (was nur in erster Annäherung zutrifft, da die Motordrehzahl einen Einfluß hat) entspricht ein. Arbeiten mit konstantem Moment, wie es in Fig. 1 durch die strichpunktierte Linie OH dargestellt ist, einer je Arbeitsspiel eingespritzten konstanten Brennstoffmenge. Wenn die Motordrehzahl bei konstantem Moment von der dem Punkt H entsprechenden grössten Drehzahl aus abnimmt, nimmt auch der Ausgangsdruck des Kompressors ab, welcher dann nur,oder fast ausschließlich, von der Energie der Auspuffgase des Dieselmotors herrührt, während die Auslaßtemperatur steigt, wie dies die Lage der Linie OH gegenüber den Kurven für konstante Auslaßteßiperatur anzeigt· Diese Änderung erklärt sich aus der Tatsache, daß das Verhältnis des in den Zylindern verbrannten Luft-Brennstoffgemischs zunjbnmt, da'die eingespritzte Brennstoffmenge konstant; bleibt, während die zugeführte Luftmasse mit dem Vorverdichtungsdruck Ps abnimmt. Die Erfindung be-

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zv;eckt, die Hilfsbrennkammer 19 (welche bis dahin erloschen war oder im Bereitschaftsbetrieb arbeitete) in Tätigkeit treten zu lassen, sobald der Punkt J erreicht wird, welcher der höchsten zulässigen Auslaßtemperatur entspricht, um zu verhindern, daß der Torverdichtungsdruck weiter· absinkt, und somit zu verhinderst, daß die Temperatur den so erreichten Pegel übersteigt·

Anders ausgedrückt, die erfindungsgemäße Vorrichtung gleicht die allmähliche Abnahme der von den Auspuffgasen des Motors der Turbine gelieferten Energie dadurch aus, daß sie die von der Hilfsbrennkammer 19 gelieferte Wärme erhöht, Jedoch in gerade ausreichender und somit -wirtschaftlichster Weise.

Der Ausdruck "Sollwert" bezeichnet so den eingestellten Wert ("set value" in der angelsächsischen Fachsprache), auf welchem das Eingreifen des Reglers den Vorverdichtungsdruck in dem Bereich III hält, Außerhalb dieses Bereichs, insbesondere- in dem Bereich I, in welchem der Vorverdichtungsdruck größer als der eingestellte Wert ist, während die Brennstoff lief ©rung an die Hilfsbrennkammer bereits am kleinsten ist (da die Kammer abgestellt ist oder sich im Bereitschaftszustand befindet), greift der Regler nicht ein·

Unter der Annahme, daß die je Arbeitsspiel eingespritzte Brennstoffmenge für das Drehmoment kennzeichnend ist, können offenbar das Eingreifen der Brennkammer und ihre Speisung mit einer geeigneten Brennstoffmenge bequem dadurch sichergestellt werden, daß der Sollwert des Vorverdichtungsdrucks durch die Stellung des die je Arbeitsspiel eingespritzte Brennstoffmenge bestimmenden Organs gesteuert wird·

Es ist noch zu bemerken, daß bei Übergang aus dem Betriebsbereich I zu dem Bereich II die Erfindung in keiner Weise das Eingreifen der Brennkammer stört, falls das Arbeiten mit konstantem Moment der Linie OK entspricht. Die Hilfsbrennkammer muß dann eingreifen, um den Vorverdichtungsdruck auf einem Schwellenwert oder kleinsten Wert zu halten, ve Icher jetzt so bestimmt wird, daß tatsächlich eine Verdichtungszündung auftritt, wie in der deutschen Patentanmeldung P 21α20.687· 1 vom 27.4 ·1971 des ETAT FRANOAIS angegeben·

Anders ausgedrückt, die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so ausgebildet, daß sie den Sollwert Pgn des Vorverdichtungsdruöks in Funktion der de Arbeitsspiel eingegpritz-

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Brennst off masse Qja gemäß einem Gesetz der in !ig· 3 dargestellten Art verändert. Wie man sieht, weist diese Kurve mehrere deutlich verschiedene Abschnitte auf·

Der. Abschnitt IM entspricht dem Arbeiten des »it Vorverdichtung gespeisten Aggregats in dem Bereich II der Fig« Ή Die Brennkammer wird dann so gespeist, daß sie den Druck Ps auf einem festen Wert hält, welcher das Arbeiten als Dieselmotor unter· den für diesen ungünstigsten Bedingungen sicherstellt· · .

Der Abschnitt MP entspricht dem Arbeiten in den Bereichen I und III» Ih diesen Bereichen muß der kleinste Vorverdichtungsdruck (d«h· der Sollwert) gleichmässig als wachsende Funktion von Qgi zunehmen· Bei einem gegebenen Wert von Qg kann sich der Betriebspunkt in der Zone zwischen J und H der Fig· 1 befinden, wobei dann die Auspuffgase des Motors genügen, um diese Bedingung zu erfüllen· Ep kann auch in dem Bereich III (zwischen O und J der fig· 1) liegen, wobei dann die Brennstoffmenge der Brennkammer über die Brennstoffmenge für den Bereitschaftsbetrieb hinaus erhöht wird, um die von dem Motor gelieferte Energie zu vervollständigen, und zwar umsomehr, je weiter man sich von dem Bereich I entfernt·

Schließlich entspricht der Abschnitt PR dem Bereich IV, in welchem der Wirkungsgrad des Surbokompressors abnimmt, da man den Vorverdichtungsdruck durch Auslaß ins Freie unter dem Wert hält, welchen er normalerweise hätte· Dagegenkann man hierdurch die Betriebszone des Motors ohne Inbetriebnahme der Hilfskammer verbreitern.

Fig· 2, 4, 5 und 6 zeigen verschiedene Ausübungsformen der oben definierten Erfindung·

Das schematisch in Fig. 2 dargestellte Aggregat enthält pneumatische Regeiaittel· Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß sie besaiders einfach ist, sich gut in ein Aggregat einfügt, dessen Verbrennungsmotor durch eine mechanische Pumpe gespeist wird, welche je Arbeitsspiel eine Masse liefert, welche durch die Verschiebung eines beweglichen Organs geregelt wird, welches bei dem dargestellten Fall durch die Zahnstange 18 gebildet wird, und ohne bedeutende Steuer- · kräfte zu erfordern, angewandt werden kann· Diese Regelmittel enthalten an der leitung 20 zur Speisung der Kammer 16 mit

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Brennstoff ur$er Druck durch eine Pumpe 21 einen Durchlaß mit einem durch die Verschiebung eines Körnerventils 23 regelbaren Querschnitt, Das Körnerventil 23 ist mit einem Kolben 24 vex^bunden_f welcher zwei Kammern in einem Zylinder 25 trennt, in sichern er gleitet. Die» erste Kammer, 26, steht unter dem durch einen Kanal 27 augeführten Vorverdichtungsdruck. In der zweiten Kammer, 28, herrscht ein Druck, welcher eine Funktion der Stellung der Zähnstange 18 ist· Dieser Druck wird ζ·Β. durch das■Verhältnis zwischen den Druckabfällen festgelegt, welche durch eine Kalibrierdüse 29 und durch einen Durchlaß 30 erzeugt'werden, dessen Querschnitt durch ein von der Zahnstange angetriebenes Körnerventil 31 mit einem geeigneten Profil geregelt wird. Die Kalibrierdüse 29 und der Durchlaß 30 sind auf einem von dem Kanal 25 ausgehenden, ins Freie führenden Leckweg an@2ordnet>und der sich zwischen ihnen ausbildende Druck wird durch e inen Kanal 32 auf die Kammer 28 übertragen. Eine Rückholfeder 33 ermöglicht, das Gesetz der Veränderung der Vorverdichtungsströmungsmenge in Funktion der Stellung der Zahnstange einzustellen. Der Hub und die Form der Körnerventile 23 und 31 sowie die Steifigkeit der Feder können insbesondere so vorgesehen werden, daß man ein Gesetz der in Fig. 3 dargestellten irt erhalt.

Man sieht, daß das Körnerventil 31 durch seine Bewegungen das Körnerventil 23 steuert und so eine Steuerung der der Hilfsbrennkammer 16 gelieferten Strömungsmenge verwirklicht, ohne eine hohe Betätigungskraft zu erfordern. Diese Eigenschaft, welche allen Steuervorrichtungen mit einem Übertrager gemeinsam ist, welcher einen in Funktion der Stellung eines Organs veränderlichen Druckabfall liefert, ist in dem vorliegenden Fall besonders wichtig, da die Zahnstangen,wenigstens der Motoren kleiner und mittlerer Leistung, keine großen Kräfte aushalten können.

Da die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung aus der obigen Beschreibung hervorgeht, braucht auf diese nicht mehr im einzelnen eingegangen zu werden. Es kann jedoch zweckmässig sein, kurz zu definieren, wie die erfindungsgemäßen Mittel bei einer plötzlichen Beschleunigung eingreifen. Es sei angenommen, daß der Motor ursprünglich mit

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geringer Belastung und kleiner Drehzahl arbeitet. Der von der Bedienungsperson betätigte Drehzahlregler hält dann einen (nicht dargestellten) Zehn Stangenanschlag in einer Stellung, in welcher die je Arbeitsspiel eingespritzte Brennstoffmenge von der grössten Menge entfernt ist. Wenn die Bedienungsperson die Drehzahl steigern will, verstellt sie den Regler, und dieser bringt die Zahnstange in dem Sinn der Zunahme der Brennstoffmenge (nach rechts in Fig· 2) zum Anschlagen. Die Zahnstange drückt dann das Körnerventil 31 entgegen der Wirkung seiner Rückholfeder 34 nach rechts zurück· Der Druck nimmt in der Kammer 28 zu, und das Körnerventil 22 geht aufwärts und vergrössert den Durchtrittsquerschnitt des Brennstoffs zu der Kammer 16 und die Strömungsmenge. Der lurbokompressor läuft dann sehr schnell hoch und erhöht den Vorverdichtungsdruck bis auf den zur Vermeidung der Überhitzung des Motors erforderlichen Wert· Falls ein pneumatisch gesteuerter Anschlag vorgesehen ist (z.B. der in dem Artikel "Increased rating of diesels" in Journal of Science and Technology, Band 38, Nr. 3, Seite 108, 1971 beschriebenen Art), ermöglicht diß Erhöhung des Vorverdichtungsdrucks, diesen Anschlag zurückzudrücken. Nach Maßgabe der Zunahme dieses Vorverdichtungsdrucks nimmt der auf den Kolben 24 wirkende Differentialdruck ebenfalls zu und sucht den Durchtritt für den Brennstoff zu verringern·

Wenn die eingestellte Drehzahl erreicht ist, kehrt die Zahnstange in eine einem neuen Sollwert des Vorverdichtungsdrucks entsprechende Stellung zurück, und die Strömungsmenge zur Speisung des Brenners der Kammer 16 nimmt automatisch ab, bis der Vorverdichtungsdruck auf seinen Sollwert zurückgekehrt ist.

Nebenbei sei bemerkt, daß,da die Turbokompressoren eine geringe Trägheit haben, ihr Hochfahren äusserst schnell erfolgt, so daß der Motor höchstens während einiger Arbeitsspiele mit einer eingespritzten Brennstoffmenge arbeitet, welche die mit dem vorhandenen Vorverdichtiingsdruck ■vertu'ägliche iibea*- steigt. Es ist übrigens zu bemerken, daß die etwaigen unverbrannten Gase aus der Auspuffleitung. 12 in die Brennkammer gelangen, wo ihre Verbrennung noch das Hochfahren des Kompressors 14 beschleunigt. Wenn es in gewissen Fällen erforderlich ist, daß der erforderliche Vorverdichtungsdruck vor der Erhöhung der

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de Arbeitsspiel in den Motor eingespritzten Brennstoffmenge hergestellt wird, genügt es, das Körnerventil 31 anstatt durch die Zahnstange durch das Organ zur Steuerung derselben zu betätigen, indem man einen Dämpfertopf zwischen dieses Steuerorgan und die Zahnstange einschaltet·

Anstatt die in Fig. 2 dargestellte Anordnung zu benutzen, kann man natürlich die entgegengesetzte, in Fig· 4 dargestellte Anordnung verwenden, in welcher die den Teilen der Fig· 2 entsprechenden Teile das gleiche Bezugszeichen mit dem Index a tragen. Bei der Ausführungsform der Fig. 4 ist es der Gegendruck, welcher unmittelbar moduliert wird, währeτή, die andere Seife des Kolbens unter der Wirkung der Rückholfeder 33a und eines geringen konstanten Drucks (z.B. des Atmosphärendrucks) steht.

Anstelle von Kolben kann man natürlich andere bewegliche oder verformbare Organe benutzen, z.B. Membrane· Es können zusätzliche Mittel zur Berichtigung in Abhängigkeit von anderen Parametern hinzugefügt werden, z.B. in Form von zu dem Durchlaß 30 ia. Fig. 2 parallel geschalteten regelbaren öffnungen» Is können z.B. kinematische Berichtigungen vorgenommen werden. Ferner kann man den Körnerventilen ein solches Profil geben, daß der Abschnitt MP der Kurve der Fig. 3 nicht geradlinig ist.

Der in Fig. 2 dargestellte Motor weist an der Abzweigleitung 15 Drosselmittel auf, welche die in der bereits genannten deutschen Patentanmeldung P 23·16.027·2 definierte Bauart haben können und durch ein nicht dargestelltes System im wesentlichen durch die alleinige Wirkung der strömungsauf wärts und strömungsabwärts herrschenden Drücke gesteuert werden, wobei die Zunahme des hinter der Drosselstelle herrschenden Drucks in dem Sinn der Verringerung des Durchtrittsquerschnitts der Drosselstelle und die Zunahme des vor derselben herrschenden Drucks in dem Sinn der Zunahme des Durchtrittsquerschnitts wirkt, derart, daß die Differenz der erzeugten Drücke sich gleichsinnig wie der in der Leitung 15 vor der Drosselstelle herrschende Druck ändert, bekanntlich ermöglicht das Vorhandensein dieser Drosselstelle, welche einen Druckabfall liefert, welcher von der sie durchströmenden Strömungsmenge unabhängig ist und somit den Druckabfall zwischen dem

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Kompressor und der Turbine von der Motordrehzahl (welche das Verhältnis zwischen der Förderleistung des Kompressors und der die Abzxreigleitung durchströmenden Strömungsmenge bestimmt) unabhängig macht, insbesondere das Pendeln des Turbokompressors zu vermeiden, indem sie jederzeit eine befriedigende Anpassung des Drucks an die Strömungsmenge bewirkt· Hierdurch wird die Pendelgefahr selbst bei der durch die Erfindung ermöglichten schnellen Änderung des Betriebszustands verhindert.

Bei der in Fig· 5 dargestellten Ausführungsabwandlung der Erfindung haben die Drosselmittel mit veränderlichem. Durchtrittsquerschnitt die in Fig. 2 der bereits genannten Patentanmeldung dargestellte Ausbildung·

Da eine vollständige Beschreibung dieser Mittel in der betreffenden Patentanmeldung gegeben ist, braucht hier nur daran erinnert zu werden, daß sie Drosselmittel 121, 125 und 126 aufweisen, welche in den Sekundär luftstrom der Hilfsbrennkammer 116 eingeschaltet sind, welche mit Luft durch/Abzweigleitung 115 gespeist wird, und deren Primärluftstrom von dem Sekundär luft strom vor den Dr ο sse !mitteln getrennt ist· Die Primär luftmenge wird gleichzeitig mit der der Kammer 116 gelieferten Brennstoffmenge nicht durch den Vorverdichtungsdruck und einen festen Gegendruck gesteuert, sondern durch die obigen Regelmittel.

Im einzelnen findet man in Fig· 5 Teile wieder, welche Teilen der Fig. 1 entsprechen und das gleiche Bezugszeichen mit dem Index b tragen. Es ist jedoch zu bemerken, daß der Einspritzer der Kammer 16b die Bückflußbauart aufweist, wobei die Regelmittel nicht auf die dem Einspritzer von der Pumpe 21b zugeführte Strömungsmenge einwirken, sondern auf die zu dem Brennstoffbehälter zurückfliessende Strömungsmenge. Es ist ferner zu bemerken, daß der Gegendruck unter Ausgang von dem hinter einem Luftkühler 4öb abgenommenen Vorverdichtungsdruck geregelt wird. Hierdurch wird vermieden, daß die Bestandteile der Regelmittel der Wirkung der aus dem Kompressor 13b mit hoher Temperatur austretenden Luft ausgesetzt werden. Da der Druckabfall beim Durchströmen des Kühlers 4-öb sehr gering ist (im allgeneinen 1 bis 2 %), beeinträchtigt er das Arbeiten der Regelung in keiner Weise.

Die schemaitsch in Fig. 6 dargestellten Rege3mittel

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sind elektrisch· Es kann der Homogenität wegen zw3ckmässig sein, diese Lösung zu benützen, wenn die Vorrichtung zur Speisung des Motors und/oder der Hilfskammer mit Brennstoff elektronisch gesteuert wird. Die elektrischen Regelmittel ermöglichen ferner, leicht einen zusätzlichen Berichtigungsparameter zur Einwirkung zu bringen, ζ·Β. die Motordrehzahl, so daß man nicht mehr nur über eine einzige Kurve der in Fig. 3 dargestellten Art verfügt, sondern über eine Kurve, welche sich in Punktion der Hotordrehzahl verschiebt oder verformt·

Die sehr vereinfacht in Fig. 6 dargestellten Rege !mittel entsprechen dem Fall einer Speisung des Motors durch eine Pumpe mit Zahnstange· Sie enthalten ein Detektornetz, welches durch eine Wheatstonesehe Brücke gebildet wird, deren einer Zweig einen für den Vorverdichtungsdruck Ps empfindlichen Widerstand 41 enthält, während ein Nachbarzweig einen den Sollvorverdichtungsdruck darstellenden Widerstand 42 enthält· Wenn angenommen wird, daß dieser Sollwert zu der ge Arbeitsspiel durchdjüe Pumpe eingespritzten Brennst off masse proportional sein soll, braucht nur der Schieber des Widerstands 42 mit der Zahnstange der Pumpe unmittelbar über einen Nocken gekuppelt zu werden.

Die Enden der Diagonalen der Brücke sind durch Widerstände 4J und 44 mit den Eingängen eines Differentialverstärkers 45 verbunden, welcher somit eine Ausgangsspannung liefert, welche zu der Spannung der Abweichung von dem Gleichgewichtszustand der Brücke proportional ist, d.h. zu der Differenz zwischen dem (dem Wert des Widerstands 42 entsprechenden) eingestellten Wert und dem (dem Wert des !Widerstands 41, welcher durch eine Beanspruchungssonde gebildet werden kann, entsprechenden) wirklichen Wert des Vorverdichtungsdrucks.

Die das Fehl er signal darstellende Ausgangsgröße des Differentialverstärkers 45 wird an einen Spannungserzeuger 46 angelegt, welcher eine genügende Dynamik hat. Die Ausgangsgrösse 47 beaufschlagt einen Spannungs-Freguenzwandler 4θ, welcher dem Motor 49 einer volumetrischen Pumpe 50 einen elektrischen Strom konstanter Stärke mit einer Frequenz N liefert, welche sich gemäß einem Gesetz folgender Form ändert:

S ss H₀ + ocY. (worin V die Spannung ist)

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Die volumetrische Pumpe liefert so eine zu der Frequenz proportionale Strömungsmenge, welche sich zwischen einem dem Arbeiten der Kammer im Bereitschaftszustand (wenn die Frequenz N_n ist) entsprechenden kleinsten Wert und einem den ungünstigsten Bedingungen entsprechenden grössten Wert ändert·

Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist ohne ■weiteres klar: wenn sich die Zahnstange der Pumpe in einer Stellung befindet j für welche der Vorverdichtungsdruck ungenügend ist, erhöht die an den Generator 46 angelegte Fähler spannung die Ausgangsspannung desselben und erzeugt so eine Zunahme der von der Pumpe 50 gelieferten Strömungsmenge, bis der Vorverdichtungsdruck den Sollwert erreicht und die Brücke wieder ins Gleichgewicht bringt. Umgekehrt, wenn der Vorverdichtungsdruck grosser als der Sollwert wird, empfängt der Spannungserzeuger ein gegensinnigee Fehls?signal bis seine Ausgangsspannung auf einen Wert zurückgekehrt ist, für welchen die Förderleistung der Pumpe gerade ausreichend ist, um den Vorverdichtungsdruck gleich dem Sollwert zu machen, außer wenn, wenn die Hilfsbrennkammer bereits in den Bereitschaftszustand zurückgekehrt ist, der Vorverdichtungsdruck noch größer als der Sollwert ist·

Unabhängig von der gewählten Ausführungsform sieht man, daß die Ausbildung und die Aufgabe derselben ganz verschieden von denen der bisherigen Schutzvorrichtungen für mit Vorverdichtung gespeiste Dieselmotoren mit Hilfsbrennkammer sind· Ihr wesentlicher Teil ist nicht mehr ein Anschlag (wobei dieser Ausdruck in einem allgeiaeinen Sinn benutzt ist), welcher die dem Motor je Arbeitsspiel in Funktion des verfügbaren Vorverdichtungsdrucks gelieferte Brennstoffmasse begrenzt· Sie kann im Gegenteil als ein System zur erzwungenen Vergrößerung der Vorverdichtung durch Anwendung der Hilfskammer bei einer Zunahme der (das dem Motor abverlangte Drehmoment darstellenden) dem Motor je Arbeitsspiel gelieferten Brennst offmas se angesehen werden, wobei das System nur eingreift, wenn dies erforderlich ist, und nur in dem erforderlichen Maße. Man entgeht so vollständig der bisher vorhandenen Alternative, entweder einen niedrigsten Wert des Vorverdichtungsdrucks zu wählen, wodurch man gezwungen wird, auf einen Teil des durch die Erfindung ermöglichten Betriebsbereichs (Zone III der Fig. 1) zu verzichten, oder einen hohen niedrigsten Wert zu wählen, was zu einem über-

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mäßigen Verbrauch der Hilf store nnkamnier und einem erheblichen Wirkungsgradverlust führt·

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Mit Vorverdichtung gespeister Verbrennungsmotor mit einem Turbokompressoraggregat mit wenigstens einem Kompressor und -wenigstens einer den Kompressor antreibenden Turbine, einer Äbzvßigleitung, welche ständig die ganze von dem Motor nicht auf genommene, von dem Kompressor gelieferte Eaftmenge zu der Turbine durchlassen kann, einer Hilf sbrennkammer, welche vor der Turbine angeordnet ist und in der Abzweigleitung strömende Iiuft empfängt, und einer Vorrichtung zur Speisung der Brennkammer mit Brennstoff mit Mitteln zur Regelung der der Hilfskammer gelieferten Brennstoffmenge, we lche ein Absinken des Vorverdißhtungsdrucks unter einen Sollwert verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß diese Regelmittel ein für die je Arbeitsspiel in den Motor eingespritzte Brennstoffmenge empfindliches Organ (31) enthalten, wobei die Ausbildung so getroffenist, daß jedem Wert dieser Brennstoffmenge ein besonderer Sollwert entspricht·

2· Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für jede je Arbeitsspiel eingespritzte Brennstoffmenge so gewählt ist, daß die vVärmebelastung des Motors praktisch gleich dem zulässigen Höchstwert ist·

3· Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme be lastung durch die Auspuff temperatur des Motors dargestellt wird·

4· Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» gekonnzeichnet durch Mittel (17) zur Einspritzung von Brennstoff, welche je Arbeitsspiel eine Brennstoffmenge liefern, welche durch die Stellung eines mechanischen Organs (18) gesteuert wird, wobei das für die eingespritzte Brennstoffmenge empfindliche Organ (31) durch die Stellung dieses mechanischen Organs (18) oder die Stellung von dieses steuernden Mitteln gesteuert wird·

5· Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Regelung der der Hilfskammer gelieferten Brennstoffmenge ein Drosselorgan (22, 23) umfassen, welches von wenigstens einem Teil des von einer· Brennst off quelle (21) unter Druck gelieferten Brennstoffs durchströmt wird und mit einem Steuerorgan (24) verbunden ist, des-

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sen Stellung iron dem Vorverdichtungsdruek und der je Arbeitsspiel in den Motor eingespritzten Brennstoffmenge abhängt·

6. Motor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (23) mit einem Kolben (24) oder einer Membran verbunden ist, welche auf einer Seite dem Vorverdichtungsdruck, welcher in einem Sinn wirkt, welcher die in die Kammer eingospritzte Strömungsmenge zu verringern sucht, und auf der entgegengesetzten Seite einem pneumatischen Gegendruck ausgesetzt sind, welcher eine wachsende Funktion der je Arbeitsspiel in den Motor eingespritzten Brennstoffmenge und des Vorverdichtungsdrucks ist.

7· Motor nach Anspruch. 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (23a) mit einem Kolben (24a) oder einer Membran verbunden ist, welche auf einer Seite einem geringen konstanten Druck, ζ·Β· dem Atmosphärendruck, welcher· in einem Sinn wirkt, welcher die in die Hilfskammer eingespritzte Brennstoffmenge zu verringern sucht, und auf der entgegengesetzten Seite einem pneumatischen Gegendruck ausgesetzt sind, welcher eine wachsende Funktion der je Arbeitsspiel in den Motor eingespritzten Brennstoffmenge und eine abnehmende Funktion des Vorverdichtungsdrucks ist.

8. Motor nach Anspruch 6 oder 7> dadurch gekennzeichnet, daß der Gegendruck an einem Kanal (27)» welcher von einem Punkt des den Kompressor (13) mit der !Turbine (14) verbindenden Strömungskraises aus gespeist wird, über eine Kalibrierdüse (29) entnommen wird, wobei dieser Kanal mit dem Außenraum durch eine Öffnung (30) verbunden ist, welche mit Mitteln zur Regelung ihres Querschnitts versehen ist, deren Stellung durch das Organ (18) zur Regelung der je Arbeitsspiel in den Motor eingespritzten Brennstoffmenge gesteuex't wird·

9· Motor nach Ansprich 8 mit einem zwischen dem· Kompressor und dem Motor angeordneten Luftkühler (40)', dadurch gekennzeichnet, daß der Entnabmekanal (27) von einem vor dem Kühler liegenden Punkt des Strömungskreises aus gespeist wird.

10. Motor nach Anspruch 4 oder einem Unteranspruch zu Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das empfindliche Organ (31) durch einen übertrager gebildet wird, welcher' an einem ihn durchströmenden Strömungsmittelstrom einen Druck-

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abfall erzeugt, welcher eine Funktion der Stellung des mechanischen Organs (18) ist·

11· Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Regelung der der Kammer gelieferten Brennstoffmenge ein elektrisch gesteuertes Regelorgan (49, 50) und eine Steuerschaltung (45, 46, 48) enthalten, welche für die Differenz der elektrischen Signale empfindlich ist, welche von zwei Sonden (42, 41) geliefert werden, von denen
die eine für die Oe Arbeitsspiel in den Motor eingespritzte
Brennstoffmenge und die andere für den Vorverdichtungsdruck des Motors empfindlich ist·

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