Die Steuerung der Verbrennungskraftmaschinen

247 Pages·1948·23.427 MB·German

by  Dr. techn. Ing. A. Pischinger (auth.)

Die
Verbrennungskraftmaschine
Herausgegeben von
Prof. Dr. Hans List
Graz
Band 9
Die Steuerung der'
Verbrennungskraftmaschinen
Springer-Verlag Wien GmbH
Die Steuerung der
Verbrennungskraftmaschinen
Von
Dr. techno lng. A. Pischinger
Professor an der Technischen Hochschule Graz
Mit 269 Textabbildungen
Springer-Verlag Wien GmbH
ISBN 978-3-211-80075-1 ISBN 978-3-7091-5054-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-7091-5054-2
Alle Rechte, auch das der Ubersetzung in fremde
Sprachen, vorbehalten.
Copyright 1948 by Springer-Verlag Wien
Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Wien 1948.
Vorwort.
Die Steuerung des Ladungswechsels, das Anlassen und da::; Umsteuern von Ver
brennungskraftmaschinen erfordern Baugruppen, die in vieler Hinsicht eine selbständige
Bearbeitung im Rahmen eines größeren Werkes über Verbrennungskraftmaschinen recht
fertigen.
Ich bin dem Wunsche von Prof. Dr. LIST, diese Schrift abzufassen, nachgekommen
und habe mich bemüht, die während meiner Tätigkeit in der Industrie, als Hochschul
lehrer und als Leiter eines Forschungsinstitutes gewonnenen Erfahrungen so nieder
zulegen, daß sie sowohl dem Studierenden als auch dem fortgeschrittenen Ingenieur
zur Erweiterung seines Wissensgebietes verhelfen können.
Um dem Buch den Charakter der Unmittelbarkeit niedergelegter eigener Erkenntnisse
zu wahren, habe ich den Schwerpunkt der Ausführungsbeispiele im Gebiete des Fahr
zeug- und Stationärmotors belassen, wogegen der theoretische Teil gleichermaßen auch
für andere Sonderkonstruktionen gilt.
Herr Oberingenieur Dr.-Ing. OTTO CORDIER hat mich bei der Bearbeitung durch
Rechenarbeit und durch Mithilfe am Studium der Literatur tatkräftig unterstützt. Herr
S. PACHERNEGG hat mir bei Durchsicht des Manuskriptes und bei der Bearbeitung der
Abbildungen wertvolle Anregungen gegeben. Beiden Herren sei an dieser Stelle beson
ders gedankt. Herrn Dr.-Ing. F. MRAMoR danke ich für die mühevolle Arbeit des
Korrekturlesens.
Ebenso danke ich den Firmen für die Bereitstellung des Bildstoffes.
Graz 1947. A. Pischinger.
Inbal tsverzeicbnis.
Seite
Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
A. Steuerzeiten, Steuerdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
B. Ventilsteuerung.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13
I. Bauarten .................................................................... 13
1. Einteilung der Bauformen nach der Lage der Ventile und der Nockenwellen...... 14
a) Stehende Ventile........... ... .... ..... . .... ... ... . .......... . .. . .... . .. 14
b) Hängende Ventile....................................................... 16
(X) Senkrecht hängende Ventile ........................................... 19
ß) Geneigt hängende Ventile ............................................. 27
2. Einteilung der Bauformen nach der Zahl der Ventile je Kopf. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32
3. Einteilung der Bauformen nach der Anordnung der Zylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42
a) Mehrzylinder-Einreihenmotoren ........................................... 42
b) Mehrzylinder-Zweireihenmotoren .......................................... 43
(X) Motoren mit V-förmig angeordneten Zylindern .......................... 43
ß) Boxer-Motoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44
y) Einfach- und Doppelsternmotoren ...................................... 44
6) Mehrreihen- und Mehrfachsternmotoren ................................. 44
s) EinzylindermotoreIl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. 44
4. Einteilung der Bauformen nach der Art des Übertragungsmittels ............... 46
II. Mechanik des Nockentriebes. . ... ... ... . ............ . .. .. . .... .... ... ... ... . .... 50
1. Drehzahl der Nockenwelle .................................................. 50
2. Bewegungsverhältnisse unter Zugrundelegung starrer Getriebeketten ............. 52
a) Näherungsverfahren durch punktweise Lösung ............................. 57
b) Exakte Lösungsverfahren ................................................ 59
(X) Nocken und durch Schwinge geführte Rolle............................. 60
ß) Nocken und gerade, mittig geführte Rolle .............................. 68
y) Nocken und gerade, außermittig geführte Rolle ......................... , 76
6) Nocken und gerade geführter Pilz ..................................... , 7!J
s) Nocken und durch Schwinge geführte Gleitfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80
C) Übertragungsglieder zwischen Nockensystem und Ventil........... . .. . . .. 83
3. Kräftespiel................................................................. 85
4. Richtlinien für den Entwurf des Nockentriebes ............................... 89
5. Bewegungsverhältnisse und Kräftespiel bei Berücksichtigung elastischer Defor-
mationen im Übertragungsmittel ............................................ , 92
a) Der Öffnungsstoß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93
(X) Genaue Betrachtungsweise unter Berücksichtigung der Druckschwingungen
in der Stoßstange .................................................... 93
ß) Untersuchung der Verhältnisse bei Vernachlässigung der Druckschwingungen
in der Stoßstange ..................................................... 98
b) lIydraulische Bewegungsübertragung ....................................... 101
111. Bauteile ....................................... ' ............................... 113
1. Ventilfedern ............................................................... 113
a) Kennlinie der Feder ..................................................... 113
b) Bestimmung der Federabmessungen ....................................... 115
(X) Ausführung einer Feder .................... ; ......................... 115
ß) Ausführung eines aus mehreren Federn bestehenden Federsatzes .......... 119
c) Festigkeitswerte ............................................ ' ............. 123
d) Schwingungen von zylindrischen Schraubenfedern ........................... 126
IX) Schwingungserregung, harmonische Analyse der Hubfunktion ............ 126
ß) Ableitung der Bewegungsgleichung und deren Lösung .................... 135
InhaltsverzeichniR. VII
Seite
2. Ventile, Ventilsitze und Führungsbuchsen ..................................... 145
a) Baustoffe ............................................................... 147
b) Wärmeabfuhr ............................................................ 149
c) Formgebung ............................................................ 153
3. Nockenwelle und deren Antrieb .............................................. 161
a) Nockenwelle ............................................................. 161
b) Zahnräder .............................................................. 167
c) Ketten und Kettenräder.... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 171
4. Übertragungsgestänge zwischen Nockenwelle und Ventil ....................... 173
a) Piltstößel und Rollenstößel .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 173
b) Gleitschwinge, Rollenschwinge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 174
c) Stoßstangen (Stößelstangen) .............................................. 175
d) Ventilhebel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 175
IV. Schmierung der Steuerungsteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 176
C. Schiebersteuerungen für den Ladungswechsel ......................................... 179
I. Überblick .................................................................... 179
II. Ausführungsbeispiele .......................................................... 185
1. Der Zweitaktmotor als Schiebermotor ........................................ 185
2. Der Burt-Mc-Collum-Schieber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 188
D. Steuerung des Anlaßvorganges ...................................................... 191
I. Zünddrehzahl ................................................................. 191
11. Anlaßwiderstände ............................................................. 192
111. Handandrehen ................................................................ 195
1. Kräftespiel, notwendiges Schwungmoment, Andrehhilfe ........................ 195
2. Andrehmittel und Grenze für das Handandrehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 200
IV. Anlassen mit Hilfe des Elektromotors .......................................... 203
V. Anlassen mit Druckluft oder Druckgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 204
1. Kräftespiel mit Anlaßfüllung ................................................ 205
2. Ausführungsbeispiele ............................................... ; . . . . . . .. 206
a) Mechanisch gesteuerte Anlaßventile ........................................ 206
b) Pneumatisch gesteuerte Anlaßventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 208
c) Rückschlagventile als Anlaßventile ........................................ 211
d) Anlaßgefäße ............................................................ 213
E. Umsteuerung ..................................................................... 216
I. Umsteuereinrichtung an Viertaktmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 217
1. Umsteuerdiagramm, Baugrundsätze, Bauelemente ............................. 217
2. Ausführungsbeispiele ........................................................ 219
H. Umsteuereinrichtungen an Zweitaktmotoren ...................................... 226
1. Umsteuerdiagramm, Bauelemente ............................................ 226
2. Ausführungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 234
Schrifttum. . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 240
Einleitung.
Die Steuerungseinrichtung l'i11Pr Verbrennungskraftmaschine hat den \Vechsel
des Zylinderinhaltes (Ladungswechsell zwischen zwei Arbeitsspielen und den Be
ginn des Energieumsatzes so zu lenken, daß der Arbeitsprozeß möglich~t wirt
schaftlich und unter Abgabe hoher Leistung ablaufen kann. Unter \IVirtschaftlich
keit ist hiebei nicht allein der \Virkungsgrad des Arbeitsumsatzes, sondern auch
der Ausnützungsgrad des VVerkstoffes und spines Bearheitungsaufwandes zu ver
stehel1.
Die Ladung wird elltweder durch dip V(>rdrängerwirkung des Arbeitskolbens
.des Motors selbst (Viertakt) oder durch hiezu vorgesehene Fördereinrichtungen
(Pumpen oder Gebläse beim Zweitakt'l oder auch durch beide zusammen (aufge
ladener Viertakt)in und aus den Arbeitszylinder geschoben. Die Verbindung des
Zylinderinneren mit den Ein- und Auslaßleitungen wird dabei sinngemäß durch
Absperrorgane freigegeben und unterbrochen. Als Absperrorgane dienen Ventile
oder Schieber, als solcher im besonderen Fall der Kolben.
I TIl einzelnen sind vorgesehen:
1. Einlaßorgane. Durch sie gelangt die Frischladung in den Arbeitszylinder.
Bei allen gemi~chansaugenden .Motoren (Gas- und Vergasermotoren) ist außer dem
Absperrorgan ein \Iischorgan (Vergaser, J\Iischventin vorhanden, das zum Teil
baulich und in der Wirkung mlt ersterem vprbunden ist (MischvenÜl bei Gas-·
motoren). In anderen Fällen tritt Luft und Brennstoff durch getrennte Organe ein
(Dieselmaschine, Ottomotoren mit Brennstoffeinspritzung oder Gaseinblasungi.
2. Auslaßorgane. Diese geben den \Veg für die Abgase aus dem Zylinder frei.
3. Jlnlaßorgane. Si!:' werden nur bei Inbetriebnahme der Maschine betätigt,
um hochgespannte Luft oder Gas als Treibmittel wahrend eines Teiles des Arbeits
hubes in den Z vlinder zu leiten. \,T enn der Motor die für den Normalbetrieb not
wendige ;\1indestdrehzahl erreicht hat, werden sie unter gleichzeitigem Umschalten
der Steuerungsbewegungen auf den Normalbetrieb stillgesetzt. Bei elektrisch oder
durch andere ·Maschinen ;;fremdangelassenen" Motoren entfallen diese Anlaß
einrichtungen.
4. Zündpinrichtzmgen dienen zur Einleitung der Yernren nung bei Otto
motoren.
Die stoffliche Auft eilung des Gesamtwerkes, in dessen Rahmen dieses Heft er
scheint, läßt eine Beschränkung der Erörterungen auf jene Fragen zu, die noch
nicht an anderer Stelle ausführlich behandelt wurden. Über die Steuerungs-
einrichtungen der Gasmaschinen und die dazugehörigen 1\lisch- und Regeleinrich
tungen, sowie über Zündeinrichtungen wird eingehend in Heft 5 berichtet [4].
Ebenso sind die Einspritzorgane ausführlich in Heft 7 dieses VVerkes behandelt,
so daß sich ein weiteres Eingehen auch darauf erübrigt [7J. Den Zündeinrich
tungen von Ottomotoren mit Benzinbetrieb ist das Heft 6 dieses \Verkes vorbe
halten [6J.
List, Verbrennungskraftmaschine, H.9. Pischinger
2 Steuerzeiten, Stenerdiagrarnme
A. Steuerzeiten, Steuerdiagramme.
Der Ablauf des Arbeitsprozesses steht zeitlich im festen Zusammenhang mit
der Bewegung des Kolbens, Demnach muß die Steuerbewegung zwangsläufig mit
der Kolbenbewegung gekuppelt sein, Sie \vird, soferne nicht der Kolben selbst als
Steuerorgan dient (ZweitaktJ, von der Drehbewegung der Kurbelwelle abgeleitet,
rn
Sonderfällen, wenn keine Kurbelwelle vorhanden ist, betätigt der Kolben selbst
die Steuerorgane (z. B. Rammen und andereJ. Die kinematische Kette zwischen
Kurbeltrieb und Steuerorgan ist fpst, wenn der Drehsinn des Motors unveränder
lich ist und sinngemäß veränderlich~ wenn der Wotor umsteuerbar ist.
Der Steuervorgang wiederholt sich nach jedem Arbeitsspiel : Beim Viertakt
verfahren also nach je zwei Kurbelumdrehungen, welche die vier Hübe: Saug-,
Verdichtungs-, Arbeits- und Ausschubhub beinhalten; beim Zweitaktverfahreu
nach je einer l'mdrehung, wobei der Entlade- und Ladevorgang im Bereich der
unteren Totpunktslage dps Kolbens zwischen Arbeits- uno Veroichtllngshl1h ah
läuft.
Abb. 1. Steuerdiagramm eines Zweitakt-Dieselmotors.
OT obere Totlage der Kurbel. Aa Auslaß öffnet.
UT untere Totlage der Knrhel. Az Auslaß schließt..
E" Einlaß öffnet. EB Einspritzbeginn.
E: Einlaß schließt. EE Einspritzende
Als Steuerzeiten oder Steuerdaten bezeichnet man jene Stellung der Kurbel
welle, bezogen auf die obere oder untere Totpunktslage, bei der die Steuerquer
schnitte geöffnet oder geschlossen werden. Bei Ventilsteuerung entspricht dies dem
Beginn und dem Ende der Bewegung der Steuerorgane. Statt des "\Vinkels wird
manchmal auch die Kolbenlage selbst in bezug auf den Totpunkt angegeben.
Man pflegt gelegentlich, ähnlich wie im Dampfmaschinenbau, die Auf
einanderfolge der Steuerzeiten im Steuerdiagramm festzulegen. Als Beispiel zeigt
Stenerzeiten, Stc>uerdiagramme 3
Abb. 1 ein Diagramm für eine Zweitaktdieselmaschine. Auf dem Kurbelkreis um
den Drehpunkt 0 sind die Kurbelstellungen bei Beginn und Ende des Steuervor
ganges gezeichnet. Jede Kurbelstellung ist durch Angabe des Winkels a zu einer
der beiden Totlagen gekennzeichnet. In Aa öffnet der Auslaß, in Ea der Einlaß.
Bis zur Stellung Hz, bei der der Einlaß wieder schließt, sind beide Steuerquer
schnitte zum Ausspülen und Laden offen. Az bedeutet den Schluß der Auslaß
schlitze, EB und ER den Beginn und das Ende der Einspritzung.
Die zu einer bestimmten Kurbelstellung (z. B. Ea in Abb. 1) gehörige Kolben
steIlung findet man durch Bogenprojektion des Kurbelradius auf die Kolbenweglinie
OT -UT mit der Schubstangenlänge 1 als Radius des Projektionsstrahles. Statt der
Bogenprojektion kann die~äherungskonstruktion nach Brir [1] (Abb. 2) ange
wendet werden, wonach der Schnittpunkt A' 'des von 0 nach 0' parallel verschobe
nen Kurbelstrahis mit dem Kurbelkrei-
orthogonal auf die Kolbenweglinie proji
ziert wird. Der Ausgangspunkt des Kur-
b f I stra hls 1' st um d]' e ,St reck e 00' = R- 2
2l
im Sinne des Hingangs der Kurbel ver
schoben. Der größte Fehler beträgt seihst
bei kleinem Schubstangenverhältnis
weniger als 1 v. J 1.
Aus Tab. I kann unmittelbar der
Kolbenweg x, bezogen auf den Hub
2R = 1, zu dem dazugehörigen Kurbel
winkel für die Schubstangenverhältnisse
zft ----
R 1
I, = - = ._. ., -, -, _. II --- .-\bh, 2, Ermittlung ues K.olbenweges ans
L 3,-) 4 4,5 5 dem Kurbelwinkel.
?hherungsmethocle nach Brix.)
entnolllmen werden [2].
Darin ist der Kolbenweg und der Kurbdwinkel für den Hingang von der
oberen, für den Rückgang von der unteren Totpunktstellllng aus gezählt (Abb. t).
Zvvischen den benachbarten Schllbstangenverhältnissen kann mit hinreichender Ge
nauigkeit linear interpoliert werden. Die bekannte Gleichung für den Kolbenweg~
nach der die Tah. T für den Kurbelradius R = 0,5 herechnet wurde, lautet:
+
.r = R (I - coslX) I [I - lrl --- (AsinIXY]
mit dem Pluszeichen für den Hingang, dem :Minuszeichen fiir den Rückgang.
Für Viertaktmotoren wurde von ,"I!fag{/,' ein Diagramm nach Abb. ?) vorgeschlagen
[3J. Fliebei ist der Kurbelkrejs zweimal nebeneinander gezei.chnet. Fm den Be
rührungspunkt als Mittelplinkt ist ein weiterer Kreis geschlagen, der die Umfangs
bewegung der Steuerwelle versinnbildlicht. Zusammengehörige Stellungen der mit
den beiden VVellen umlaufenden Vektoren schneiden sich jeweils auf dem Kurbel
kreis, weil dann für jede Stellung der Steuerwinkel gleich dem halben Kurbelwinkel
ist und somit die Bedingung erfüllt ist, daß die Kreisfrequenz der Kurbelwelle
doppelt so groß ist wie die der Steuerwel1e. Die Kolbenstellung findet man wie in
Ahh. 1 oder Abb. Zangegeben.