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Brennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen
mit Ladegebläse und Ladeluftkühler, die unter sich ändernden Belastungsverhältnissen
betrieben werden. Erfindungsgemäß wird ein Ansteigen der Verdichtungstemperatur
bei steigender Leistung dadurch verhindert, daß das in dem Zylinder eingeschlossene
Luftvolumen in umgekehrtem Verhältnis zu der Belastung geändert wird, so daß der
lediglich infolge der Verdichtung erfolgende Temperaturanstieg in dem Zylinder sich
umgekehrt wie die Belastung ändert.
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Es ist bekannt, daß die Leistung einer Brennkraftmaschine durch Einbau
eines Kompressors erhöht wird, der die Ladeluft vor ihrem Eintritt in den Zylinder
verdichtet, so daß eine größere Kraftstoffmenge verbrannt werden kann. Im allgemeinen
steigt die Leistung des Motors entsprechend der Erhöhung des Druckes der Ladung.
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Der Vorteil einer höheren Motorleistung, die sich aus der Verwendung
eines Kompressors ergibt, wird jedoch bei hohen Ladedrücken dadurch etwas vermindert,
daß der Motor kräftiger gebaut sein muß, damit er die erhöhten Innendrücke aushält
und noch eine wesentliche Sicherheit bietet. Je größer der Motor, desto wichtiger
sind diese Forderungen.
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Ein noch wichtigeres Merkmal ist darin zu sehen, daß mit höher werdendem
Druck, auf den die Ladeluft von dem Kompressor verdichtet wird, sich auch dieTemperatur
derLadeluft erhöht. Bei dem üblichen Kompressormotor ergibt sich daraus eine entsprechende
Erhöhung der Kompressionsendtemperatur, d. h. der Temperatur der Luft im Zylinder
am Ende des Kompressionshubes, und der. Verbrennungshöchsttemperatur. Es werden
also alle Temperaturen des gesamten Kreislaufes erhöht, und auch die Zylinder sowie
die die Zylinder umgebenden Teile eines bestimmten Motors werden übermäßigen Wärmespannungen
ausgesetzt, wenn der Kompressionsdruck einen bestimmten Wert übersteigt. Der Temperaturanstieg
der Ladeluft beim Erhöhen des Kompressionsdruckes begrenzt daher die Arbeitsbelastung
des Motors.
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Es wurde versucht, diese unerwünschte Wirkung durch Kühlung zu beheben,
indem die Ladeluft vor ihrem Eintritt in die Zylinder gekühlt wurde. Wenn die Kühleinrichtungen
den größten Teil der Verdichtungswärme aus der Ladeluft ableiten, bleibt die Temperatur
der der Einlaßleitung zugeführten Luft trotz der Schwankungen im Kompressordruck
im wesentlichen gleich hoch. Außer von der Temperatur der Ladeluft hängt die Verbrennungshöchsttemperatur
aber auch von der Menge des in den Zylindern verbrannten Kraftstoffes ab, so daß
durch ein Erhöhen der Belastung des Motors trotz des von der Kühlung bewirkten Gleichbleibens
der Ladetemperatur ein Erhöhen der Verbrennungshöchsttemperatur erfolgt, weil zur
Aufnahme der größeren Belastung mehr Kraftstoff verbrannt wird.
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Ziel der Erfindung ist ein Kompressormotor, bei dem bei steigender
Belastung mehr Kraftstoff in den Zylindern verbrannt und der in den Zylindern herrschende
mittlere Arbeitsdruck erhöht werden kann, ohne daß die obere Sicherheitsgrenze für
die Verbrennungshöchsttemperatur und den Höchstdruck überschritten wird.
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In seinen wesentlichen Bauteilen besteht der Motor aus dem eigentlichen
Motor, aus einem Kompressor, der die Ladeluft bei einem Druck zuführt, der von der
auf dem Motor liegenden Belastung abhängt, aus einer Kühlvorrichtung für die Ladeluft
und- aus einem selbsttätigen Regler, der das in den Zylindern vorhandene Verdichtungsverhältnis
umgekehrt mit der Belastung oder einem von dieser Belastung abhängenden Faktor ändert.
Unter dem Ausdruck »Verdichtungsverhältnis« ist das Verhältnis des innerhalb der
Zylinder vorhandenen Kompressionsenddruckes zu dem Druck der Ladeluft zu verstehen.
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Die selbsttätige Änderung des Verdichtungsverhältnisses kann auf verschiedenen
Wegen erfolgen. Beispielsweise kann die Regelung ausgeführt werden, indem die Einstellung
des Lufteinlaßventils geändert wird. Das Schließen dieses Ventils kann um eine Größe
verstellt werden, die von dem Überdruck des Ladedruckes abhängt. Das Schließen kann
so weit vor den unteren Totpunkt verlegt werden, daß eine Ausdehnung der Luftfüllung
im Zylinder stattfindet, oder das Schließen dieses Ventils kann so weit nach dem
unteren Totpunkt verlegt werden, daß ein
Teil der Ladeluft aus dem
Zylinder zurück in die Lufteinlaßleitung gedrückt wird.
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Es kann aber auch die Einstellung des Auspuffventils geändert werden,
so daß eine Ladeluftmenge, die von dem Überdruck des Ladedruckes abhängt, aus dem
Zylinder wieder ausgeschoben wird, ehe die Verdichtung der Luft beginnt.
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Die selbsttätige Regelung kann auch durch ein besonderes Auslaßven:til
erfolgen, das zu Beginn des Verdichtungshubes offen bleibt, solange der Kompressionsanfangsdruck
über einem vorbestimmten Wert liegt.
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In jedem dieser vier Fälle wird die Verdichtungsendtemperatur, die
sonst bei hohen Verdichtungsdrücken erhalten wird, durch Herabsetzen des Verdichtungsverhältnisses
erniedrigt.
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Die Erfindung ist mehr oder weniger schematisch in der Zeichnung dargestellt.
In der Zeichnung ist Fig. 1 ein Ventilsteuerungsdiagramm eines erfindungsgemäßen
Viertaktmotors; Fig.2 ein Druckvolumendiagramm eines erfindungsgemäßen Viertaktmotors.
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Fig. 3 ein Ventilsteuerungsdiagramm mit geringer Steuerzeitenüberschneidung,
Fig.4 ein Ventilsteuerungsdiagramm mit Steuerzeitenüberschneidung, Fig.5 ein Druckvolumendiagramm
gemäß dem in Fig.3 dargestellten Ventilsteuerungsdiagramm, Fig.6 ein Druckvolumendiagramm,
das zeigt, wie eine höhere Leistung von einem erfindungsgemäßen Viertaktdieselmotor
gegenüber den zur Zeit verwendeten Motoren erhalten werden kann, Fig.7 das zugehörige
Temperaturvolumendiagramm, Fig. 8 ein schematischer Schnitt einer Ausführung der
Vorrichtung, die bei einem Viertaktmotor verwendet wird, Fig. 9 ein Diagramm, das
die Druck- und die Temperaturverhältnisse des in Fig. 8 dargestellten Motors zeigt,
Fig. 10 ein lotrechter Schnitt durch einen die Erfindung enthaltenden Zweitaktmotor,
Fig. 11 ein Schnitt eines abgeänderten Motors nach Fig.10, dessen Ventilantriebsvorrichtung
entsprechend der Kraftstoffzufuhr zum Motor geändert wird, Fig. 12 eine Draufsicht
der in Fig. 11 dargestellten Vorrichtung, und Fig. 13 ist ein Steuerzeitendiagramm
für die in den Fig. 11 und 12 dargestellte Ventileinrichtung.
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Gemäß einer Ausführung der Erfindung wird das Einlaßventil geschlossen,
bevor der Kolben die untere Totpunktlage des Saughubes erreicht. Nach dem Schließen
des Einlaßventils dehnt sich demgemäß die in dem Zylinder befindliche Füllung unter
entsprechender Abnahme des Druckes und der Temperatur der Füllung aus. Zu Beginn
des Verdichtungshubes wird demzufolge die Luft einen geringeren Druck und eine geringere
Temperatur haben als während des ersten Abschnittes des Saughubes. Bei dem in Fig.1
dargestellten Ventilsteuerungsschaubild wird das Einlaßventil bei c geschlossen,
und demzufolge wird die in dem Zylinder befindliche Füllung von c bis e ausgedehnt
und gekühlt. Von e bis f wird die in dem Zylinder befindliche Füllung
durch den Aufwärtshub des Kolbens in dem Zylinder verdichtet, und nahe dem Ende
des Verdichtungshubes erfolgt die Zündung. Das verbrennende Kraftstoffluftgemisch
drückt dann den Kolben während des Arbeitshubes nach abwärts, und das Auspuffventil
wird ungefähr bei d geöffnet und bleibt von d bis b offen, wie dies
durch den Bogen s dargestellt ist. Das Einlaßv entil öffnet sich bei a, und das
Spülen findet von a bis b
statt. Das Einlaßventil bleibt bis c offen,
und der Zyklus wird wiederholt. Der Bogen t zeigt den Teil des Zyklus, währenddessen
das Einlaßventil offen bleibt. Fig.2 zeigt das zugehörige Druckvolumendiagramm.
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Wird mit dem Arbeitshub des Motors begonnen, so fällt der in dem Zylinder
herrschende Gasdruck längs Linie g, sobald der Kolben des Motors sich abwärts bewegt.
Bevor die untere Totpunktlage e erreicht ist, öffnet sich das Auspuffventil bei
d, wodurch ein Druckabfall in der Kurve g auf die Linie P, stattfindet, die den
Gegendruck während des Auspuffs darstellt. Während des Aufwärtshubes des Kolbens
«-erden Auspuffgase durch das Auslaßventil ausgetrieben, und an dem Punkt a wird.
das Einlaßventil geöffnet; von a bis b sind sowohl das Einlaßventil
als auch das Auslaßventil gleichzeitig offen. Dies ist die Spülperiode, während
der Druckluft von einem Gebläse in den Zylinder strömt und die Auspuffgase, die
in dem Zylinder verblieben sind, durch das Auslaßventil hinaustreibt. Am Punkt b
schließt das Auslaßventil,während das Einlaßventil offen bleibt, so daß die von
einem Gebläse kommende Luft schnell den in dem Zylinderraum herrschenden Druck auf
den Druck P2 erhöht, der den Druck darstellt, der in der Einlaßleitung aufrechterhalten
wird. Der Abwärtshub des Kolbens von b nach c ist ebenfalls ein Arbeitshub, da der
Druck P2 größer als der Druck auf der Unterseite des Kolbens ist. Am Punkt c gegen
das Ende des Saughubes zu wird das Einlaßventil geschlossen, um die Luftzufuhr von
der Einlaßleitung abzuschneiden. Während des übrigen Hubes des Kolbens dehnt sich
die in dem Zylinder befindliche Luft von c bis e von dem Druck P2 auf den Druck
P, aus. Sobald der Kolben beim folgenden Hub von e bis f sich aufwärts bewegt, wird
die Luftfüllung längs der Drucklinie lt verdichtet. Das obere Ende des Druckvolumenschaubildes
ist in Fig. 2 nicht dargestellt. Die Verbrennung findet am Ende des Verdichtungshubes
statt, und der Druck fällt beim folgenden Arbeitshub längs der Drucklinie g.
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Obwohl das Schließen des Einlaßventils vor der Beendigung des Saughubes
die bevorzugte Durchführungsform der Erfindung bei einem Motor darstellt, können
auch andere Einrichtungen zur Vergrößerung oder zur Verminderung des Druckes und
der Temperatur der in den Motorzylindern befindlichen Füllung mit guten Ergebnissen
verwendet werden. Beispielsweise kann das Auslaßventil oder das Einlaßventil während
eines kurzen Zeitabschnittes beim Verdichtungshub geöffnet werden, oder es kann
ein zweites Ventil vorgesehen sein, das lange genug geöffnet wird, um die gewünschte
Druckherabsetzung und Temperaturverminderung in dem Zylinder durchzuführen.
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Bei dem in Fig. 8 dargestellten Viertaktmotor mit Abgasturbolader
ermöglicht das Auslaßventi115 den Verbrennungsprodukten, durch die Leitung 17, die
Sammelleitung 50, die Leitung 51 über das durch die Auspuffgase getriebene Turbinenrad
52 aus dem Zylinder 10 durch die Auspuffleitung 53 abzuziehen. Das Turbinenrad 52
treibt die Welle 54, die ihrerseits das Gebläserad 55 antreibt, das Luft in Richtung
der Pfeile ansaugt und die Luft in den Gebläsedeckel57 drückt, von wo die Luft über
einen Zwischenkühler 58 mit konstanter Kühlleistung zu einem Lufteinlaß 16 strömt,
den das Einlaßventil 14 in der nachstehenden Weise öffnet und schließt.
In
diesem besonderen Falle wird das Verdichtungsverhältnis, dessen Definierung bereits
erfolgte, in Übereinstimmung mit dem Druck der Ladeluft in dem Gebläsedeckel 57
geändert, wozu ein selbsttätiger Regler vorgesehen ist, der die Einstellung des
Einlaßventils 14 ändert.
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Das von seiner Feder 59 belastete Einlaßventil 14 wird über die Einstellmutter
60, Hebel 61, Verbindungsstange 62 und Nockenläufer 63 von dem Nocken 64 der Nockenwelle
65 betätigt, die durch eine geeignete Verbindung von der Kurbelwelle angetrieben
werden. Eine Winkelbewegung des Nockenläufers 63 um die Welle 65 über den Winkel
A-C ändert das zeitliche Arbeiten des Einlaßventils.
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Die selbsttätige Regeleinrichtung für diese Winkelbewegung ist von
dem Druck der von dem Abgasturbogebläse geförderten Luft abhängig, was seinerseits
von der Auspufftemperatur und dem Druck abhängt, die wiederum von der auf dem Motor
liegenden Belastung abhängen. Die Leitung 66 führt von dem Gebläsedeckel 57 zum
Zylinder 67. In dem Zylinder 67 befindet sich ein Kolben 68, der durch die Feder
69 nach aufwärts gedrängt wird. In dem Zylinder befindet sich ferner ein Kissen
70, um die Aufwärtsbewegung des Kolbens zu begrenzen. Die Kolbenstange 71 wird durch
die Muffe 72 geführt. Der auf der Unterseite des Kolbens 68 herrschende Druck entspricht
dem Druck der Außenluft. Ein Drehzapfen 73 am unteren Ende der Kolbenstange 71 greift
in einen Schlitz 74 des Winkelhebels 75 ein, der bei 76 an einem Lenker 77 angelenkt
ist, der seinerseits an einer Ventilstange 78 schwingbar sitzt, die zwei in dem
Ventilzylinder 81 liegende Ventilkolben 79 und 80 trägt. Die Leitungen 82 führen
von dem oberen Ende und dem unteren Ende des Ventilzylinders 81 in die Außenluft.
Ein Rohr 84 ist mit der Schmieranlage des Motors verbunden und führt unter Druck
stehendes Schmieröl dem Zylinder 81 zu. Eine durch den Ventilkolben 80 gesteuerte
Leitung 85 führt von dem Zylinder 81 zu dem oberen Ende des Zylinders 86 über den
in diesem Zylinder befindlichen Kolben 87. Die von dem Ventilkolben 79 gesteuerte
Leitung 88 führt von dem Ventilzylinder 81 zu dem Arbeitszylinder 86 unter den Kolben
87. Der Kolben 87 besitzt eine Kolbenstange 89, an der bei 90 der Hebel 75 angelenkt
ist. Diese Kolbenstange 89 trägt auch eine Zahnstange 91, die im Eingriff mit einem
Zahnrad 92 steht, das einen Exzenter 93 auf Welle 94 trägt, so daß die Längsbewegung
der Zahnstange 91 das Zahnrad in Umdrehung setzt und auf diese Weise den in einer
Stange 95 liegenden Exzenter dreht. Das Außenende der Stange 95 ist bei 96 an dem
Zapfen des Nockenläufers 63 schwingbar gelagert.
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Wenn bei der in Fig. 8 dargestellten Lage der Teile die Motorbelastung
sich erhöht, erhöhen sich die Turbinendrehzahl und auch der Luftdruck in dem Deckel
57, wodurch der Kolben 68 nach abwärts gedrückt wird. Dadurch werden die Ventilkolben
79 und 80 nach abwärts bewegt und das untere Ende des Zylinders 86 und der Kolben
87 über die Leitung 84 dem Schmieröldruck ausgesetzt. Dadurch hebt sich der Kolben
87, dreht das Zahnrad 92, so daß sich der Nockenläufer 63 von der Mittelstellung
B nach A be-
wegt und dadurch den Vorschubwinkel des Einlaßnockens
ändert, um den Zeitpunkt vorzuverlegen, in dem das Einlaßventil14 schließt. Natürlich
hat die Aufwärtsbewegung des Kolbens 87 ein Zurückkehren des Hebels 75 auf neutrale
Stellung zur Folge; die Ventilkolben 79 und 80 schließen die Leitungen 88 und 85,
und die Vorrichtung wird verriegelt und in der richtigen Stellung gehalten, bis
wieder eine Änderung im Luftdruck stattfindet.
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Sobald die Belastung abnimmt, sinkt der Luftdruck im Gebläsedeckel
57, und es erfolgt die Bewegung der Zahnstange 91 in der entgegengesetzten: Richtung,
und der Nockenläufer 63 wird zurück nach C bewegt, um die Schließungszeit des Einlaßventils
zu verzögern.
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Gewünschtenfalls kann an Stelle des im Gebläsedecke157 herrschenden
Luftdruckes der Motorregler zur Abgabe der Kraft, die die Einstellung des Einlaßventils
14 ändert, herangezogen werden. Dieselbe Vorrichtung kann gleich gut verwendet werden,
um an Stelle des Einlaßventils das Auspuffventil oder das Einlaßventil und das Auspuffventil
oder ein besonderes Auslaßventil zu regeln, das nach Schließen des Auspuffventils
während einer veränderbaren Zeit offen bleibt.
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Vorzugsweise wird bei hoher Belastung des Motors die Luft von dem
Gebläse 55 auf einen wesentlich höheren Druck verdichtet, als in den Motoren dieser
Art üblich. Ein Verdichten kann beispielsweise auf etwa 2 atü erfolgen. Die Luft
strömt dann aus dem Gebläse mit beträchtlich hoher Temperatur aus, so daß die Kühlwirkung
des Kühlers 58 entsprechend wichtiger wird.
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Wenn der Druck der Ladeluft einen bestimmten Wert erreicht hat, wird,
ehe der Kolben die untere Totlage des Ansaughubes einnimmt, das Einlaßventil 14
geschlossen. Infolgedessen dehnt sich nach dem Schließen des Einlaßventils 14 die
in dem Zylinder vorhandene Ladung aus, so daß die Ladeluft beim Beginn des Kompressionshubes
einen niedrigeren: Druck und eine niedrigere Temperatur hat als in dem Zeitpunkt,
in dem das Einlaßventil geschlossen wurde.
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Fig. 9 zeigt die in dem Zylinder 10 der Fig. 8 vorhandene Beziehung
zwischen der Temperatur und dem Druck unter verschiedenen Motorbelastungen. Beim
Sinken der Belastung wird weniger Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt, und die
Auspufftemperatur sowie der Druck fallen. Hierdurch sinkt die Gebläsedrehzahl, so
daß der Gebläsedruck entsprechend der mit »Luftdruck« in der Einlaßleitung bezeichneten
Kurve fällt. Beim Fallen des Druckes sinkt auch die Temperatur der aus dem Gebläse55
strömenden Luft. Die Temperatur kann 137° C bei einem Druck von 1,26 kg/cm2 und
nur 82° C unter der halben Belastung bei einem Druck von 0,56 kg/cm? betragen. Ein
Teil der Wärme wird von dem Kühler 58 aufgenommen, ehe die Ladeluft in den Zylinder
strömt. Der Kühler 58 hat solche Bauart, daß die abströmende Luft eine gleichbleibende
Temperatur hat. Die von dem Kühler 58 kommende Luft gleichbleibender Temperatur
wird innerhalb des Zylinders infolge der Ausdehnung weiter gekühlt, die auftritt,
wenn die Belastung einen bestimmten Wert überschreitet. Die Größe der im Zylinder
erfolgenden Abkühlung ist proportional der Belastung des Motors.
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In dem Diagramm der Fig. 9 ist angenommen, daß sich das Einlaßventil
etwa 42° vor dem unteren Totpunkt bei voller Belastung schließt, wodurch eine Ausdehnung
von 1,26 atü auf 0,56 atü und ein Temperaturabfall von 33° C erfolgt. Bis etwa zur
halben Belastung schließt das Einlaßventil allmählich später. Bei einer darunter
liegenden Belastung wird eine volle Luftladung eingesaugt, so daß keine Ausdehnung
der Luft im Zylinder erfolgt.
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Fig. 3 zeigt ein Kurbelkreisdiagramm, bei welchem der Überschneidungswinkel
a-b so klein (oder gleich
Null) gemacht ist, daß kein Kraftstoffluftgemisch
aus der Einlaßleitung zu der Auslaßleitung strömen, kann.
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Die durch das neue Verfahren erhaltene Herabsetzung der Temperatur
T1 zu Beginn des Verdichtungshubes wird am besten an einem Beispiel gezeigt. Ein
nach dem üblichen Verfahren aufgeladener Motor mit einem Verdichtungsverhältnis
6:1 wird eine Einlaßtempe-ratur von 54° C bei -einer angenommenen Gebläseansaugtemperatur
von 32° C haben. Bei Volllast mit einer Restgastemperatur von etwa 70° C wird die
Temperaturerhöhung durch Vermischen mit den Restgasen et-,va 24° C und die Temperaturerhöhung
durch Berührung mit den heißen Zylinderwänden etwa 27° C betragen, so d.aß T1= 54
-i- 24 -1-27=105°C.
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Bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung würde der Gebläsedruck
beispielsweise auf P2 = 1,6 atü gehoben werden. Bei 32° C Gebläseansaugluft würde
nunmehr die Gebläsedruckluft eine Temperatur von 105° C haben. Diese könnte in dem
Zwischenkühler auf 50° C gekühlt werden. Die Temperatur bei c in Fig. 5 würde dann
T1= 50 -1- 24 -I- 27 = 101° C betragen. Bei Ausdehnung von c bis e von 1,6 atü auf
0,2 atü würde dann die Temperatur um 40° C auf 61° C fallen.
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Bei einem Verdichtungsexponenten von 1,35 'würden die entsprechenden
Endverdichtungstemperaturen 706 bzw. 645° K sein. Ein Motor, bei dem die erfindungsgemäße
Anlage verwendet wird, kann also mit einem Kraftstoff niederer Oktanzahl betrieben
werden. Wird jedoch ein Kraftstoff verwendet, der bei einer Verdichtungstemperatur
von 760° K zufriedenstellend arbeitet, kann der die erfindungsgemäße Anlage verwendende
Motor mit einem Verdichtungsverhältnis von 8,5:1 betrieben werden.
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Diese Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses würde in einer Verminderung
der Erwärmung durch die Restgase von 24 auf 9° C sich auswirken, und zwar auf Grund
des kleineren Verbrennungsraumes, und würde auch den thermischen Wirkungsgrad von
51 auf 580/9 erhöhen.
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Das obige Beispiel zeigt die Verbesserung, die bei einem Motor ohne
Steuerzeitenüberschneidung, also ohne Spülen erhalten werden kann. Eine weitere
Verbesserung wird erhalten durch Überschneiden der Steuerzeiten des Einlaßventils
und des Auslaßventils entsprechend dem Kurbelkreisdiagramm nach Fig.4 und durch
Zuführen von genügend Luft während dieses Zeitraumes durch das Einlaßventil, um
die restlichen Abgase durch den Auslaß auszutreiben. Dieses Verfahren behebt die
Lufterwärmung durch Restgase und würde in dem obigen Beispiel T1 von 61° C ohne
Spülung auf 31° C mit Spülung herabsetzen. Damit Kraftstoffverluste vermindert werden,
ist beim Spülen erforderlich, daß der Kraftstoff entweder in die Einlaßleitung oder
unmittelbar in den Zylinder hinein, und zwar nach dem Punkt b im Diagramm eingespritzt
wird.
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Ein weiterer Vorteil, der durch die Anwendung der Erfindung erhalten
wird, ist die große Zunahme der Belastung, die ohne Erhöhung der mittleren Temperatur
des Arbeitskreislaufes aufgenommen -werden kann. Wenn bei einem mit niederer Verdichtung
arbeitenden Motor bei voller Belastung mit einer Temperatur T1 = 385° K die mittlere
Temperatur T,, = 870° K ist, so ist das Verhältnis TM zu T i = 2,26. Wird
das erfindungsgemäße Verfahren der Ausdehnungskühlung angewendet, so wird T1 auf
340° K herabgesetzt, so daß das Verhältnis T, zu T1 bei einer bei Vollastlauf auftretenden
mittleren Temperatur von 870° K etwa 2,56 sein würde und 37/0 mittlerer Druck mehr
bei 870° K übertragen werden könnten.
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Das Ausspülen: des Verbrennungsraumes dieses Motors, der beispielsweise
ein Verdichtungsverhältnis von. 5,55:1 hat, würde T1 um 40° C herabsetzen. Die zusammengefaßte
Wirkung des Kühlens und des Spülens würde dann ergeben T1 = 300° K und ein T.-ZU-T.-Verhältnis
von 2,9 bei 870° K mittlerer Kreislauftemperatur. Die entsprechende mögliche Zunahme
an mittlerer Druckbelastung würde dann etwa 7011/o betragen.
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Es ist bekannt, daß die hohen Arbeitstemperaturen große Schwierigkeiten
beim Betrieb von Ottomotoren der zur Zeit üblichen Ausführung bereiten. So ist es
z. B. nicht möglich, die in dem Zylinder befindliche gesamte Luft zur Verbrennung
auszunutzen, ohne zu solchen schädlichen Mitteln zu greifen, wie der Überreicherung
des Gemisches oder dem Einspritzen von Wasser. Das Ausdehnungskühlverfahren ermöglicht
es, die mittlere Arbeitstemperatur, wie dies in den obigen Beispielen gezeigt ist,
auf fast jede gewünschte Temperatur 'herabzusetzen, und zwar lediglich durch Verwendung
solcher Kühlmittel, wie Wasser oder Außenluft, bei den Temperaturen, bei denen diese
Elemente zur Verfügung stehen.
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Fig. 6 zeigt ein Druckvolumendiagramm (P-V-Diagramm) eines üblichen
Viertaktgebläsedieselmotors, das innerhalb der vollen Linien liegt. Der Kompressionsdruck
ist P, der Verbrennungsdruck P3, der Auspuffgegendruck Po, der Außenluftdruck Patm.
Die vollen Linien in Fig. 7 zeigen die Temperaturen T für diesen üblichen Dieselmotor
während des Saughubes, des Verdichtungshubes und des Ausdehnungshubes, wobei die
Ansaugtemperatur T,nf ist. Dieses Druck- und Temperaturdiagramm soll die höchste
Belastung darstellen, der ein bestimmter :Motor unterworfen werden kann, ohne die
zulässige Höchsttemperatur zu überschreiten.
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In Fig.6 ist in gestrichelten Linien die Zunahme des Druckvolumendiagramms
gezeigt, die erhalten wird, wenn. der Betrieb des Motors nach den Lehren der Erfindung
erfolgt. In Fig. 7 sind in gestrichelten Linien die entsprechenden Temperaturen
des gleichen Motors dargestellt, wenn, er nach den Lehren der Erfindung arbeitet.
Hierbei ist es möglich, eine größere Belastung auf einen gegebenen Zylinder bei
einer niedrigeren Temperaturhöhe der Gase oder ohne Überschreitung der in dem Motor
bestehenden Temperaturhöhe zu übertragen, wenn der :Motor durch das übliche Verfahren
aufgeladen wird. Dies ist in Fig.7 erkenntlich, wenn die Ansaugtemperatur als T",,
wie in dem üblichen Motor angenommen wird. Während jedoch dieser letzterwähnte Motor
die gleiche Temperatur T1 bis zum Beginn des Verdichtungshubes beibehält, wird nach
dem Verfahren der Erfindung die Zylinderfüllung polytropisch von einem Druck P2
auf P1 am Ende des Saughubes ausgedehnt, und das Ergebnis ist eine Herabsetzung
der Füllungstemperatur von Tmf auf T,", und zwar entsprechend den thermodynamischen
Gesetzen. Diese Herabsetzung der Verdichtungsanfangstemperatur senkt auch die Verdichtungsendtemperatur,
also auch die Temperatur am Ende des konstanten Verbrennungsvolumens bei P3. Es
ist ersichtlich, daß deshalb die Expansionslinie in dem Druckvolumendiagramm von
C1 bis C2 verlegt werden kann, ohne die üblichen Gashöchsttemperaturen zu überschreiten,
was durch Zusatz weiteren Kraftstoffes herbeigeführt wird und
einen
größeren mittleren Leistungsdruck in dem Druckvolumendiagramm erzeugt. Es wird also
mehr Arbeit geleistet.
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Fig. 10 zeigt einen Gleichstromzweitaktmotor mit Abgasturboladen.
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Der Verdichter 107, der nur zum Anlassen verwendet wird, kann je nach
den Verhältnissen durch einen besonderen Motor oder durch die Motorkurbelwelle angetrieben
werden. Der Verdichter 107 saugt Luft in der Richtung des Pfeiles an und fördert
diese Luft durch die Leitung 115 zur Ansaugseite des Laders 108, der durch die Abgasturbine
109 angetrieben wird.
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Zwischen dem Lader 108 und der Einlaßleitung 112 liegt die Kühlvorrichtung
111 mit gleichbleibender Kühlleistung. Die Leitung 111 steht mit dem Spülring 104
in Verbindung.
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In diesem besonderen Falle erfolgt die Änderung des Verdichtungsverhältnisses
in Abhängigkeit von der Belastung des Motors durch Änderung der Steuerzeiten der
Auspuffventile 105. Der dieser Steuerzeitenänderung dienende Regler ist nicht dargestellt,
kann aber der gleiche sein wie in Fig. B.
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Bei Belastung über einen bestimmten Wert hinaus beginnt die Verdichtung
im Zylinder nicht in dem Zeitpunkt, in dem die Einlaßöffnungen 103 von dem Kolben
101 geschlossen werden, sondern in einem späteren Zeitpunkt, wenn der Kolben die
gestrichelte Linie 116 erreicht. Bis dahin können die in dem Zylinder 102 befindlichen
Gase über die durch Federn 153 belasteten Auspuffventile 105 durch den Auslaßkanal
106 und die Auslaßleitung 110 mit so hoher Geschwindigkeit austreten, daß durch
die Aufwärtsbewegung des Kolbens der in dem Zylinder herrschende Druck nicht erhöht
wird.
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Fig. 11 und 12 zeigen eine das Auspuffventil 105
betätigende
Einrichtung. Die Nockenwelle 131 wird von der Motorkurbelwelle angetrieben und ist
mit einem das Ventil öffnenden Nocken 132 und einem Ventilschließnocken 133 versehen.
Der auf dem Nokken 132 laufende Nockenläufer 134 wird in seiner Stellung durch Schwingarme
136 gehalten, die um eine Schwingwelle 137 schwingen. Eine Stoßstange 138 ist an
dem Kipphebel 139 mittels eines Zapfens 140 befestigt. Der Kipphebel 139 schwingt
auf einem Zapfen 141, der aus einem Stück mit einem Hebel 142 besteht, der seinerseits
frei auf einem an der Konsole 144 befestigten Zapfen 143 schwingen kann. Der auf
dem Nocken 133 laufende Nockenläufer 135 wird von einem Schwingarm 145 getragen,
der um einen Zapfen 146 der Kurbel 147 schwingt. Das Außenende von Arm 145 trägt
einen Zapfen 148, an dem eine Stoßstange 149 angreift. Das obere Ende der Stoßstange
149 ist mittels eines Zapfens 150 mit dem Hebel 142 verbunden.
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In Fig. 13 zeigt die Linie d die Winkelstellung der Kurbel, an der
die Öffnungsseite 151 des Nockens 132 den Nockenläufer 134 nach aufwärts zu bewegen
beginnt, um das Ventil 105 am Ende des Arbeitshubes des Kolbens 101 zu öffnen.
Der im Hebel 142 liegende Zapfen 141 befindet sich in seiner untersten Stellung
auf der Linie J-K, während der Nockenläufer 135 auf dem Scheitel des konzentrischen
Teiles von Nocken 133 läuft.
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Befindet sich der Zapfen 146 von Kurbel 147 in seiner Mittelstellung,
wie dargestellt, so bewirkt der Umlauf der Nockenwelle 131, daß der Nockenläufer
135 auf den Fußkreis von Nocken 133 abfällt, sobald die Linie m senkrecht stellt.
Diese Bewegung hebt den im Hebel 142 sitzenden Zapfen 141 auf eine Stellung, die
durch die Linie H-L angedeutet ist. Das das Ventil betätigende Ende des Kipphebels
139 wird also von dem Ende des Ventils 105 abgehoben, das sich durch die Wirkung
der Feder 153 schließt.
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In der dargestellten Mittelstellung schließt das Ventil 105 bei b
(Fig. 13). Dies ist die Mittelstellung der Kurbel 147. Durch Drehen der Kurbel 147
kann der Zapfen 146 in die Stellung p vorgeschoben werden, was zur Folge hat, daß
das Ventil 105 bei c schließt, was der Stellung entspricht, bei der der Kolben
die bei a geöffneten Spülöffnungen 103 wieder schließt. Dies ist die Leerlaufstellung.
Wird die Kurbel in der entgegengesetzten Richtung zurückgedreht, so nimmt der Zapfen
146 die Stellung r ein, wodurch das Ventil 105 später bei b1 (Fig. 13) schließt.
Dies ist die Vollaststellung.
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Sobald der Läufer 135 wieder auf den Nockenanstieg 156 von Nocken
133 gehoben wird, bewegt sich der Läufer 134 mit der gleichen Bewegungsgeschwindigkeit
auf dem Nockenabstieg 154 des Nockens 132 abwärts. Das Ventil 105 bleibt also geschlossen,
um sich erst wieder zu öffnen, wenn der Nockenanstieg 151 des Nockens 132 den Nockenläufer
134 anhebt.
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Die Kurbel 147 kann mittels eines von Hand betätigten Hebels eingestellt
werden, der getrennt für sich.betätigbar ist oder mit der Regelung der Kraftstoffzufuhrmenge
zusammenarbeitet. Die Kurbel 147 kann auch selbsttätig betätigt werden, um den Schließungswinkel
des Ventils 105 in Übereinstimmung mit der zum Spülen und zum Aufladen bestimmten
Druckluft zu ändern.
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Die Erfindung kann bei allen Arten von Brennkraftmaschinen ohne Rücksicht
auf den Kraftstoff verwendet werden. Sie ist besonders in Verbindung mit Doppelkraftstoffmotoren
verwendbar.