AT389918B

AT389918B - Ansaugsystem fuer kolbenmaschinen

Info

Publication number: AT389918B
Application number: AT0155387A
Authority: AT
Inventors: Franz Dipl Ing Schweinzer
Original assignee: Avl Verbrennungskraft Messtech
Priority date: 1987-06-17
Filing date: 1987-06-17
Publication date: 1990-02-26
Also published as: DE3820607A1; ATA155387A; DE3820607C2

Description

Nr. 389918

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ansaugsystem für Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, bei dem eine Anpassung der Resonanzaufladung an die jeweilige Maschinendrehzahl mittels eines veränderlichen Volumens im Ansaugsystem vorgesehen ist.

Jedes Ansaugsystem dies»1 Art besitzt im Drehzahlbeieich der Maschine einen oder mehrere Resonanzpunkte, 5 die von den geometrischen Daten der Maschine und des Saugsystems abhängig sind. In diesen Resonanzpunkten ist die Resonanzbedingung erfüllt, wonach die Erregerfrequenz als Funktion der Drehzahl gleich ist der vom Gaszustand und den geometrischen Daten abhängigen Eigenfrequenz des Ansaugsystems. In diesem Punkt bzw. in diesen wenigen Punkten tritt eine erwünschte Liefergradspitze auf.

Es wird angestrebt, mit möglichst geringen Änderungen in den geometrischen Daten des Ansaugsystems diese 10 Resonanzpunkte über möglichst den gesamten Drehzahlbereich der Maschine zu erzeugen und somit in möglichst jedem Drehzahlpunkt dar Liefergrad zu optimieren.

Die diesbezüglichen theoretischen Überlegungen unter Zuhilfenahme der bekannten Gleichungen für Schwingungen in Gaswechselleitungen zeigten, daß bei einem konventionellen Ansaugsystem die notwendigen Änderungen in der Geometrie desselben für eine Resonanzverschiebung über den gesamten Drehzahlbereich sehr 15 groß sind und deshalb praktisch nicht realisiert werden können.

Bei einer bekannten Anordnung der eingangs erwähnten und in der EPA 0 065 076 beschriebenen Art sind verzweigte Sammelrohrsysteme vorgesehen, wobei an den Stirnseiten der Sammelrohre Kolbenanordnungen zur Veränderung des Volumens des Ansaugsystems im Hauptschluß angebracht sind. Nachteilig hiebei ist, daß die Sammelrohre aufwendig gestaltet sind und daß deren Volumen, welches variabel gemacht wird, verhältnismäßig 20 klein ist und daher zur Beeinflussung des Schwingungsverhaltens des Ansaugsystems nur wenig beitragen kann. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß es unter Umständen notwendig ist, die Sammelrohre an ihren Stirnseiten gegenüb» den an den Enden des Motorblockes vorgesehenen Ansaugstutzen relativ weit vorspringen zu lassen, um die Kolbenanordnung unterbringen zu können, wodurch sich erheblich vergrößerte Abmessungen des gesamten Ansaugsystems »geben. 25 Die DE-OS 35 18 684, DE-OS 35 02 699, EPA 0 123 139 und DE-PS 957 802 behandeln lediglich die stufenlose Verstellung der Saugrohre zu den einzelnen Zylindern, ausgehend von einem Sammelbehälter, was zwar eine Resonanzverschiebung bewirkt, jedoch nur über einen relativ kleinen Drehzahlbereich des Motors. Diese bekannten Einrichtungen erfordern alle einen großen baulichen Aufwand.

Ziel der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und ein besonders hinsichtlich des 30 Resonanzverhaltens wirksames und kompaktes Ansaugsystem zu schaffen, das einfach aufgebaut ist.

Dieses Ziel wird eifindungsgemäß dadurch erreicht, daß das veränderliche Volumen des Ansangsystems durch ein Zusatzvolumen gebildet ist, welches an das Sammelrohr im Nebenschluß zu den in das Sammelrohr einmündenden Ansaugleitungen angeordnet ist Hiedurch werden ein optimales Resonanzverhalten des Ansaugsystems und eine hervorragende Anpassung des Ansaugsystems an die jeweiligen Betriebsbedingungen des 35 Motors gewährleistet Dabei kann je nach Längen-Querschnitt-Verhältnis des Rohrstutzens ein entsprechender Drehzahlbereich des Motors von der stufenlosen Resonanzabsdmmung erfaßt werden. Außerdem können auf besonders einfache Weise durch ein einziges veränderliches Zusatzvolumen in jedem Fall unerwünschte Schwingungen im gesamten Ansaugsystem vermieden, gesonderte Beruhigungsräume vermieden und eine besonders platzsparende Bauweise erzielt werden. 40 Gemäß der Erfindung weist das Ansaugsystem also ein im Nebenschluß angeordnetes Zusatzvolumen auf, das in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kolbenmaschine so veiänd»bar ist daß zumindest über einen großen Teil des Drehzahlbereiches Resonanzpunkte auftreten. Mit Hilfe des speziell angeordneten Zusatzvolumens, welches über ein geeignet dimensioniertes Rohrstück mit dem Sammelvolumen des "Grundsystems" (= Einzelsaugrohre + Beruhigungsbehälter + Rohrverbindung zum Filter bzw. zur Umgebung) verbunden ist ist es möglich, das 45 erwähnte Ziel zu erreichen. Es hat sich gezeigt, daß mit einer relativ geringen Änderung des Zusatzvolumens ein sehr großer Drehzahlbereich zur Resonanzbestimmung erfaßt werden kann und daß die notwendige Größe und Veränderung des Zusatzvolumens bei hohen Drehzahlen verhältnismäßig klein ist, im Bereich niedriger Drehzahlen sowohl die Größe des Zusatzvolumens als auch dessen Änderung mit der Drehzahl ein Vielfaches von den entsprechenden Werten bei hohen Drehzahlen ausmachen kann, ab» noch beherrschbar sind. 50 Bei einem Ansaugsystem für eine Mehrzylinder-Kolbenmaschine kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Anschluß des Zusatzvolumens an das Sammelrohr über einen Rohrstutzen hergestellt sein, dessen Länge und dessen innerer Querschnitt zur Anpassung an das Resonanzverhalten entsprechend dimensioniert sind. Hiedurch ergeben sich ein besonders geringer Herstellungsaufwand und die Anpassungsmöglichkeit an die Betriebsbedingungen des Ansaugsystems wird noch gesteigert. 55 In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann bei einem verzweigten Resonanzsystem bekannter Art für eine Mehrzylindermaschine ein einziges Zusatzvolumen an ein für alle Zylinder gemeinsames Sammelrohr angeschlossen sein. Durch diese Ausführungsform können d» bauliche Aufwand weiter verringert und besonders günstige Betriebsbedingungen erreicht werden. Äußerst vorteilhaft ist es gemäß einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform d» Erfindung, wenn das 60 Verhältnis zwischen Länge und Innenquerschnitt des Rohrstutzens in Abhängigkeit vom Hubraum und vom Drehzahlb»eich d» Maschine festgelegt ist. Dadurch ergibt sich eine sehr gute Anpassungsmöglichkeit des Ansaugsystems an verschiedene Motorgrößen und Motortypen. -2-

Nr. 389918

Nach einer weiteren vorzugsweisen Äusführungsform kann das Zusatzvolumen von einem Zylinder gebildet sein, in dem ein Kolben zwangsgesteuert ist, wobei ein Drehzahlsignal in den gewünschten Kolbenweg umgesetzt wird.

Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung kann die Verschiebung des Kolbens gegen die Kraft mindestens einer Feder mit Hilfe eines Druckmediums erfolgen, dessen Druck nach Maßgabe des Signals eines elektrischen Drehzahlgebers regelbar ist Es kann aber auch der Kolben gegen Verdrehen gesichert und von einer ihn axial durchsetzenden Spindel axial bewegbar sein, wobei der Antrieb der Spindel mittels eines elektrischen Stellmotors erfolgt, der elektrisch über einen Drehzahlgeber und eine Steuereinheit gesteuert wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann aber auch der Kolben im Zusatzbehälter von dem mit der Maschinendrehzahl ansteigenden Saugrohrdruck gegen die Kraft mindestens einer Feder verstellbar sein. Durch das Federelement kann der Zusammenhang zwischen dem notwendigen Kolbenweg und dem Saugrohrunterdruck hergestellt werden. Zur Anpassung an die Erfordernisse können z. B. zwei verschieden steife Federn mit je linearer Charakteristik verwendet werden. Es können auch mehrere auf Zug oder Druck belastete Federpakete Anwendung finden und es kann die Dämpfungscharakteristik dieses Verstellsystems durch eine auf der mit dem Unterdrück beaufschlagten Seite des Kolbens im Abschlußteil vorgesehene Drosselbohrung bestimmt werden.

Bei allen Ausführungsformen kann die Querschnittsform von Kolben und Zylinder beliebig an die vorgegebenen Platzverhältnisse angepaßt werden, also auch von der Zylinderform abweichen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigen in schematischer Darstellung Fig. 1 ein Ansaugsystem gemäß der Erfindung im Querschnitt Fig. 2 dazu eine Ansicht von oben, Fig. 3 und Fig. 4 je ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung im Axialschnitt

Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführung des erfindungsgemäßen Ansaugsystems ist der Zylinderkopf der vierzylindrigen Reihenbrennkraftmaschine mit (1), dessen Einströmkanal mit (2), der Sammelbehälter mit (3), die Verbindungsstutzen zwischen Sammelbehälter (3) und Zylinderkopf mit (4) und die in den Sammelbehälter (3) einmündende Ansaugleitung mit (5) bezeichnet. Die Ansaugleitung (5) besteht aus dem Stutzen (6), der an den Sammelbehälter bzw. an das Sammelrohr (3) anschließt, einem Teil (7), der den Luftfilter (8) durchsetzt und dem an den Luftfilter (8) angesetzten geraden Teil (9). Durch den Zylinder (10), in welchem der Kolben (11) axial verschiebbar ist, wird das Zusatzvolumen (12) gebildet, das somit durch die Verschiebbarkeit des Kolbens (11) variabel ist. Das Zusatzvolumen (12) ist mittels des Verbindungsrohres bzw. Rohrstutzens (13) an den Sammelbehälter bzw. an das Sammelrohr (3) angeschlossen. Der Kolben (11) ist auf der Seite des Zusatzvolumens (12) durch die Schraubenfedem (14') und (14) belastet bzw. belastbar und auf der entgegengesetzten Seite durch den Faltenbalg (15) abgedichtet und über die Drosselbohrung (16) mit der Atmosphäre in Verbindung. Der Zylinder (10) hat vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt; er kann jedoch auch mit Rücksicht auf die Einbauverhältnisse davon abweichende Querschnitte haben.

Die Wirkungsweise ist folgende: durch die geometrischen Verhältnisse, insbesondere Querschnitt (f) und Länge (lj) der Verbindungsstutzen (4), dem Volumen des Sammelbehälters bzw. Sammelrohres (3) sowie Querschnitt (g) und Länge (12) des Stutzens (6) sowie Querschnitt und Länge der übrigen Teile (7) und (9) der Ansaugleitung ergibt sich bei einer oder wenigen bestimmten Motordrehzahlen im Ansaugsystem eine Resonanzschwingung, welche dem Liefergrad zugute kommt. Erfmdungsgemäß ist das veränderliche Volumen durch ein Zusatzvolumen (12) gebildet, welches an das Sammelrohr (3) im Nebenschluß zu den in das Sammelrohr (3) einmündenden Ansaugleitungen (4), (6), (7), (9) angeordnet ist. Das Zusatzvolumen ist infolge der Axialbeweglichkeit des Kolbens (11) veränderbar. Der Anschluß des Zusatzvolumens (12) an das Sammelrohr (3) ist über einen Rohrstutzen (13) hergestellt. Je nach Größe des Zusatzvolumens (12) ergeben sich bei verschiedenen Maschinendrehzahlen Resonanzschwingungen, wobei auch die Länge (I3) und der innere

Querschnitt (h) des Rohrstutzens (13) von Einfluß ist. Der Resonanzpunkt wird selbsttätig abhängig von der Drehzahl bzw. von dem von dieser abhängigen Unterdrück im Sammelbehälter (3) verändert und zwar dadurch, daß der Kolben (11) durch den Atmosphärendruck solange im Bilde nach links verschoben wird, bis zwischen den auf den Kolben (11) wirkenden Drücken, dem Atmosphärendruck einerseits und dem Ansaugdruck andererseits sowie die Federn (14) und (14') Gleichgewicht herrscht. Mit anderen Worten, der Kolben wird in Abhängigkeit vom Staudruck verschoben, wobei die Drosselbohrung (16) für eine entsprechende Dämpfung des Systems sorgt.

Im vorliegenden Fall sind auf der Seite des Zusatzvolumens die beiden Schraubendruckfedern (14) und (14') wirksam und ergeben durch ihre unterschiedlichen Längen und Steifigkeit eine geknickte Federkennlinie. Durch die Art der Ausbildung und Anordnung der Federn kann die Zuordnung des Zusatzvolumens zur Maschinendrehzahl weitgehend variiert werden.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist im Zylinder (10) zur Schaffung des variablen Zusatzvolumens (12) ebenfalls der Kolben (11) axial verschiebbar. Zum Unterschied von der Ausführung nach Fig. 1 und 2 ist hier der Kolben (11) durch Zugfedern (17) belastet, welche innerhalb des abdichtenden Faltenbalges (15) angeordnet sind. Zum Unterschied gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 und 2 wird hier der Kolben (11) durch ein Druckmedium, z. B. Druckluft oder Drucköl, belastet, welches über den Druckanschluß (18) in dem vom Faltenbalg (15) umschlossenen Druckraum (19) ein- und ausströmen kann. Das Druckmedium wird von einem Druckregler (20) über die Leitung (21) dem Druckanschluß (18) zugeführt. Das in den Druckregler (20) einströmende Medium ist durch den Pfeil (22) versinnbildlicht. Der Druckregler (20) -3-

Claims

Nr. 389918 wird über einen elektrischen Drehzahlregler (23), welcher über die Impulsleitung (24) mit diesem in Verbindung steht, gesteuert Bei dieser Ausführung wird also dem Druckraum (19) ein Druckmedium zugeführt, dessen Druck vom Drehzahlgeber gesteuert und vom Druckregler eingeregelt wird. Dabei ist die Zuordnung des Druckes des Druckmediums zur Maschinendrehzahl durch entsprechende an sich bekannte Elemente wählbar. Bei der Ausführung nach Fig. 4 ist der im Zylinder (10) axial verschiebbare Kolben (11) auf irgendeine Weise, z. B. durch Abweichung von der Kreisform oder durch einen Fortsatz, welcher in einer entsprechenden Längsnut läuft, gegen Verdrehen gesichert Der Kolben (11) wird von der Schraubspindel (25) durchsetzt, welche durch den elektrischen Stellmotor angetrieben wird. Der elektrische Stellmotor (26) wird von einem elektrischen Drehzahlgeber (23) ausgehend durch die elektrische Steuereinheit (27) gesteuert. Der Kolben (11) ist z. B. mittels eines Filzringes (28) abgedichtet und der Raum (29) in geeigneter, nicht dargestellter Weise, entlüftet Allen drei beschriebenen Ausführungsvarianten ist gemeinsam, daß das Zusatzvolumen (12) automatisch in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl geändert wird, wodurch eine Resonanzabstimmung »folgt und damit eine Liefergradoptimierung über dem gesamten Drehzahlbereich erreicht ist Zusatzvolumsbehälter (10) und Kolben (11) bestehen vorzugsweise aus Kunststoff oder Leichtmetall, welche den geringen Stellkräften standhalten und die je nach Anwendung vorliegenden Temperaturbelastungen und chemischen Belastungen bestehen müssen. PATENTANSPRÜCHE 1. Ansaugsystem für Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, bei dem eine Anpassung der Resonanzaufladung an die jeweilige Maschinendrehzahl mittels eines veränderlichen Volumens im Ansaugsystem vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das veränderliche Volumen des Ansaugsystems durch ein Zusatzvolumen (12) gebildet ist, welches an das Sammelrohr (3) im Nebenschluß zu den in das Sammelrohr (3) einmündenden Ansaugleitungen (4,6,7,9) angeordnet ist
2. Ansaugsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß des Zusatzvolumens (12) an das Sammelrohr (3) über einen Rohrstutzen (13) hergestellt ist, dessen Länge (I3) und dessen innerer Querschnitt (h) zur Anpassung an das Resonanzverhalten entsprechend dimensioniert sind (Fig. 1)
3. Ansaugsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem verzweigten Resonanzsystem bekannter Art für eine Mehrzylindermaschine ein einziges Zusatzvolumen (12) an ein für alle Zylinder gemeinsames Sammelrohr (3) angeschlossen ist
4. Ansaugsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Länge (I3) und Innenquerschnitt (h) des Rohrstutzens (13) in Abhängigkeit vom Hubraum und vom Drehzahlbereich der Maschine (1) festgelegt ist (Fig. 1).
5. Ansaugsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzvolumen (12) von einem Zylinder (10) gebildet ist, in dem ein Kolben (11) zwangsgesteuert ist, wobei ein Drehzahlsignal in den gewünschten Kolbenweg umgesetzt wird.
6. Ansaugsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des Kolbens (11) gegen die Kraft mindestens ein» Feder (17) mit Hilfe eines Druckmediums erfolgt, dessen Druck nach Maßgabe des Signals eines elektrischen Drehzahlgebers (23) regelbar ist (Fig. 3).
7. Ansaugsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (11) gegen Verdrehen gesichert und von einer ihn axial durchsetzenden Spindel (25) axial bewegbar ist, die mittels eines elektrischen Stellmotors (26) angetrieben ist, der elektrisch über einen Drehzahlregler (23) und eine Steuereinheit (27) gesteuert wird.
8. Ansaugsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (11) im Zusatzbehälter (10) von dem mit der Maschinendrehzahl ansteigenden Saugrohrdruck gegen die Kraft mindestens einer Feder (14,14') verstellbar ist (Fig. 1). -4- 5 Nr. 389918
9. Ansaugsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der mit dem Unterdrück beaufschlagten Seite des Kolbens (11) eine Drosselbohrung (16) im Abschlußteil vorgesehen ist (Fig. 1). Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -5-