CH631239A5

CH631239A5 - Method for the operation of an internal combustion engine with turbocharging

Info

Publication number: CH631239A5
Application number: CH1430677A
Authority: CH
Inventors: Imre Annus
Original assignee: Autoipari Kutato Intezet
Priority date: 1976-12-03
Filing date: 1977-11-18
Publication date: 1982-07-30
Also published as: SE437402B; DE2753799C2; SE7713323L; GB1577599A; DE2753799A1; FR2372968B1; JPS53102413A; FR2372968A1; HU179402B; IT1097729B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Turboladung, wobei zwischen dem Turbokompressor des Turboladers und der Ansaugöffnung der Zylinder des Verbrennungsmotors, in der Frischluftleitung ein Regelventil angeordnet ist.

Der bekannte Nachteil der Motoren mit Turboladung besteht darin, dass die Fördercharakteristik des Turbokompressors ungünstig ist, da bei einer niedrigen Drehzahl des Motors, die vom Turbokompressor geförderte Luftmenge den Bedarf des Motors unterschreitet. Bei höheren Drehzahlen besteht jedoch, infolge der erhöhten Luftförderung, eine übermässige thermische Belastung des Motors. Beim Betrieb eines Kraftfahrzeuges treten die ungünstigen Erscheinungen in einem erhöhten Mass auf, da die Drehzahlen alternieren, was ungünstige Rauch- und Emissionseigenschaften mit sich bringt.

Zahlreiche Vorschläge sind mit der Zielsetzung bekannt, die obengeschilderten Nachteile eines Motors mit Turboladung zu beseitigen.

Bei einer der bekannten Lösungen ist vor der Auspuff -Gasturbine, in der Auspuffleitung, eine, mit einem Ventil absperrbare Umleitung (By-pass-Leitung) vorgesehen. Die Steuerung erfolgt durch den mit der Druckleitung des Turbokompressors in Verbindung stehenden Druckfühler. Wenn der Förderdruck des Turbokompressors einen bestimmten Wert überschreitet, wird ein Teil des Auspuffgases der die Turbine umgehenden Leitung zugeführt.

Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass in der einer hohen Temperatur ausgesetzten Auspuffleitung, ein Regel ventil eingebaut ist, und dass bei höheren Drehzahlen der Turbolader nicht mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden kann, weil ein Teil der Energie der Auspuffgase un verwertet bleibt.

Bei einer anderen bekannten Lösung sind zwei Turbinen vorhanden und die durch Ventile absperrbare Druckleitung des Turbokompressors ist mit dem, vor den Turbinen liegenden Teil der Auspuffleitung verbunden, wodurch die komprimierte Luft teilweise zur Mischung der Auspuffgase bzw. zur Speisung einer der Turbinen verwendet werden kann. Die Öffnung des Ventils steht in Abhängigkeit mit der Drehzahl des Motors, und wird unter Zuhilfenahme eines Hebelarms geregelt. Diese Methode kann einerseits wegen der schwierigen Handhabung, andererseits wegen den beiden Turbinen, nur bei grossen Motoren eingesetzt werden.

Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Turboladung vorzuschlagen, bei dem zwischen dem Turbokompressor des Turboladers und der Ansaugöffnung der Zylinder des Verbrennungsmotors in der Frischluftleitung ein Regelventil angeordnet ist. Durch einen zuverlässigen Aufbau soll das Einhalten der Vorschriften über die Raucheigenschaften ermöglicht werden.

Nach dem Verfahren fördert der Turbokompressor bei der Hälfte der Nenndrehzahl und unter Vollast des Motors eine Frischluftmenge, die dem Frischluftbedarf des Motors zumindest annähernd entspricht. Bei Nenndrehzahl und unter Vollast des Motors überschreitet die vom Turbokompressor geförderte Luftmenge den Frischluftbedarf des Motors um höchstens 10%, wobei der vom Turbokompressor gelieferte Luftüberschuss über das, auf den zulässigen Ladungsdruck eingestellte, automatisch regelnde Regelventil abgelassen wird. In einem Drehzahlbereich des Motors in welchem der maximal zulässige Verbrennungsspitzendruck nicht erreicht wird, wird Resonanzaufladung angewendet.

Eine Ladevorrichtung, bestehend aus einem Turbolader mit Turbokompressor und mit einem Regelventil in der Frischluftleitung zwischen Turbokompressor und den Ansaugöffnungen der Zylinder dient zur Ausübung des Verfahrens. Diese Ladevorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Frischluftleitung des Turbokompressors an einem Sammelbehälter angeschlossen ist, der über ein Resonanzrohr an einen Resonanzbehälter angeschlossen ist, welcher mit den Saugkanälen von drei Zylinder verbunden ist, die gegeneinander verschobene Saugperioden aufweisen, und dass die Resonanzfrequenz auf diejenige Motorendrehzahl abgestimmt ist, bei welcher der minimalste Füllungsgrad der Zylinder auftritt.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn das Regelventil derart ausgebildet ist, dass es öffnet wenn der Druck in der Frischluftleitung den zulässigen Ladungsdruck erreicht, und schliesst, wenn der Druck in der Frischluftleitung unter den zulässigen Ladungsdruck sinkt. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes kann das automatische Regelventil ein mit Federkraft belastetes Verschlusselement aufweisen, wobei dessen Öffnungsquerschnitt mit dem Verschiebungsweg des Verschlusselementes linear proportional ist.

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Eine weitere Ausbildung des Erfindungsgegenstandes kann darin bestehen, dass in der Frischluftleitung ein Druckluftkühler angeordnet ist.

Durch die Anwendung der vorgeschlagenen Lösung können die Raucheigenschaften, insbesondere die Schwarzraucheigenschaften des Motors verbessert werden. Der Turbolader - dessen Abmessung die üblichen Dimensionen unterschreitet - kann sich in den niedrigen Drehzahlbereichen, z.B. bei der Beschleunigung des Fahrzeuges, viel besser den veränderten Betriebsverhältnissen des Motors anpassen. Im Gegensatz zu der üblichen, seitens der Hersteller von Turboladern vorgeschlagenen Abstimmung, ist die Masse des Rotors um etwa 50% geringer. Diese Einsparung an Masse bewirkt, dass der Turbolader spontan auf Drehzahländerungen reagiert.

Der sichtbare Rauch kann dadurch verringert werden, dass der durch das Regelventil ausgelassene Luftüberschuss in das hinter der Turbine angeordnete Auspuffrohr eingeführt wird.

Der nach dem vorgeschlagenen Verfahren aufgeladene Verbrennungsmotor weist äusserst günstige Eigenschaften im Hochgebirgsbetrieb, insbesondere bei einem Umgebungsluftdruck unter 1 Atü, auf.

Werden die herkömmlichen Aufladungsverfahren angewendet, so wird die dem Wert H = Om zugeordnete maximale Nennleistung in der Höhe von H = 5000 m etwa 20% abnehmen. Bei einer Teilbelastung oder bei niedrigeren Drehzahlen wird jedoch die Leistung- bzw. Drehmomentabnahme 20% weit überschreiten. Bei einem erfindungsgemäss aufgeladenen Motor wird sich unter Hochgebirgsverhält-nissen und in den niedrigeren Drehzahlbereichen das Drehmoment bedeutend verbessern, d.h. die Drehmomentabnahme wird - mit den bekannten Verfahren verglichen - in der Abhängigkeit der Höhe viel geringer sein.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ein Anordnungsschema eines Sechszylindermotors mit Turboaufladung, ohne Resonanzaufladung,

Fig. 2 ein Anordnungsschema eines Sechszylindermotors mit dynamischer Saugrohraufladung und Resonanzbehältern, Fig. 3 das die Luftmenge regelnde Ventil,

Fig. 4 die Änderung der Drehzahl des Turboladers mit unterschiedlichen Charakteristiken bei der Beschleunigung eines Dieselmotors,

Fig. 5 ein Diagramm des Luftüberschussfaktors, der durch Turbolader mit unterschiedlichen Charakteristiken bei Beschleunigung hervorgerufen wird, und Fig. 6 ein Diagramm der durch die Turbolader mit unterschiedlichen Charakteristiken hervorgerufenen Raucherscheinung bei der Beschleunigung.

Figur 1 zeigt zunächst die schematische Anordnung eines Sechszylinder-Dieselmotors mit Turboaufladung, aber ohne Resonanzaufladung. Die Zylinder I-VI des Motors 1 sind in Reihe angeordnet. Die Saugleitungen 2 sind über den Sammelbehälter 4 mit dem gemeinsamen Saugrohr 3 verbunden, welcher sich dem Druckrohrstutzen 6 des Turbokompressors 5 anschliesst. Die Auspuffleitungen 7 der Zylinder I-VI enden im Auspuffrohr 8, welches mit dem Eintrittsstutzen 10 der Auspuff-Gasturbine 9 verbunden ist. Die Rotoren des Turbokompressors 5 und der Auspuff-Gasturbine 9 sind auf einer gemeinsamen Welle montiert und bilden den Turbolader 11. Vorder Luftsaugleitung 12 des Turbokompressors 5 ist ein nicht dargestellter Luftfilter angeordnet. An die Austrittsöffnung der Auspuff-Gasturbine 9 ist ein Aufpuffrohr 13 angeschlossen. In dem gemeinsamen Saugrohr 3 ist ein

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Regelventil 14 vorgesehen, dessen Aufbau in Figur 3 dargestellt ist. Die Verbindungsleitung 15 führt die vom Regelventil 14 aus dem gemeinsamen Saugrohr 3 ausgelassene Luft in das Auspuffrohr 13 ab. Das Regelventil 14 ist als Druckbegrenzungsventil ausgebildet, welches das Überschreiten des eingestellten maximalen Druckes durch Auslassen des Luftüberschusses verhindert. Der Turbolader 11 wird so gewählt und dem Motor 1 so angepasst, dass dieser in einem weiten Drehzahlbereich für den Strassenverkehr geeignet ist, und dass das möglichst grösste Drehmoment erreicht werden kann. Um das erreichen zu können, wird beim Motor nach dem zulässigen maximalen Verbrennungsspitzendruck in einem möglichst grossen Drehzahlbereich gesucht und dementsprechend der Turbolader 11 so gewählt, dass der Turbokompressor bei niedriger Drehzahl eine genügende Luftmenge fördert.

Nach dem Beispiel beträgt die maximale Drehzahl eines Lastkraftwagenmotors mit 101 Zylinderrauminhalt 2200 U/min. Das maximale Drehmoment des in bekannter Weise aufgeladenen Motors wird bei 1600 U/min. erreicht. Innerhalb eines Drehzahlbereiches von 1400 bis 1800 U/min. ist das Drehmoment annähernd konstant.

Mit dem Turbolader wird der maximal zulässige Verbrennungsspitzendruck bereits bei 1200 U/min. erreicht. Das Regelventil 14 öffnet bei etwa 1600 U/min. und hält den zulässigen maximalen Aufladungsdruck in der gemeinsamen Saugleitung 3 aufrecht. Bei der Nenndrehzahl des Motors, bei der das Regel ventil 14 die grösste Druckluftmenge durch-lässt, beträgt die ausgelassene Luftmenge 8% der durch den Turbokompressor 5 geförderten Luftmenge. Diese Luftmenge wird über die Verbindungsleitung 15 in das Auspuffrohr 13 weitergeleitet, wodurch die Rauchwerte des Motors verbessert werden.

Durch die vorgeschlagene Lösung - deren Anordnungsschema in Figur 2 veranschaulicht ist - ist die Kompensation von Ungleichmässigkeiten dadurch möglich, dass das Ansaugsystem mit einer Resonanzaufladung versehen ist, und der wirksamste Aufladungs-Drehzahlbereich auf den zu kompensierenden Drehzahlbereich eingestellt wird. Das Resonanzaufladungs-Verfahren und die zur Durchführung geeignete Vorrichtung ist in der ungarischen Patentschrift Nr. 161.323 beschrieben (entsprechend USA-Patent: 3.796.048, entsprechend BRD-Patent: 1 935 155).

Nach dem Beispiel ist der Turbokompressor 5 über die Leitung 3 mit einem Sammelbehälter 16 verbunden, der über zwei Resonanzröhren 17 mit je einem Resonanzbehälter 18 in Verbindung steht. Jeder Resonanzbehälter 18 ist mit drei Saugleitungen 19 versehen, die an je einen Zylinder I-VI angeschlossen sind.

Innerhalb des Drehzahlbereiches zwischen 200 und 400 U/min. wird dann eine Aufladung erreicht, wenn der Rauminhalt des Resonanzbehälters 18 das Doppelte des Rauminhaltes der angeschlossenen drei Zylinder, und die Länge des Resonanzrohrs 17 das Neunfache des Zylinderdurchmessers beträgt. Je einem gemeinsamen Resonanzbehälter 18 können ausschliesslich solche Zylinder angeschlossen werden, deren Saugperioden untereinander verschieden sind. Das Regelventil 14, welches das Überschreiten des eingestellten Druckwertes durch Auslassen des Luftüberschusses verhindert, ist an dem Sammelbehälter 16 angeordnet, wobei die ausgelassene Luft durch die Verbindungsleitung 15 in die, hinter der Turbine liegende Strecke des Auspuffrohrs 13 geführt wird. Das Regel ventil 14 ist in Figur 3 im Schnitt dargestellt. Der Anschlussstutzen 21 des Ventilgehäuses 20 ist in den Sammelbehälter 16 eingeschraubt. Die Verbindungsleitung 15 ist am Anschlussstutzen 22 angeschlossen. Der Kolben 23 ist mit einer Feder 24 belastet, der Federteller 24a stützt sich auf einer Stellschraube 25. Der Kolben 23 ist als Stufenkolben

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ausgebildet. Die Ringfläche 26 ist in einem Druckraum 27 angeordnet, wobei der letztere über einen Kanal 28 mit dem Sammelbehälter 16 verbunden ist. Die Druckschwankung des Regelventils beträgt 0.02 kp/cm2, von der der Einlassdruck bzw. der Schliessdruck nur um den Wert 0.03 kp/cm2 abweicht.

Die Vorteile des beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung ergeben sich in erster Linie bei einer sich oft ändernden Drehzahl des Motors, wo die Raucheigenschaften des Motors Probleme schaffen. In Hinsicht auf die Rauchbildung ist die Beschleunigung unter Belastung die kritischste Erscheinung bei Dieselmotoren mit Turboaufladung, da bei der Beschleunigung die Verzögerung des Turboladers gegenüber der Erhöhung der Motordrehzahl die Rauchtendenz begünstigt.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann die Drehzahländerung des Turboladers den Änderungen der Motordrehzahl besser folgen, wodurch der Luftüberschussfaktor des Motors verbessert und die Raucherscheinung verringert werden kann.

Das in Figur 4 dargestellte Diagramm stellt die Änderung der Drehzahl n des Turboladers bei der Beschleunigung in Abhängigkeit der Zeit T dar, wobei «n» im Prozentsatz des statischen Betriebszustandes % dargestellt ist.

Die Kurve «a» zeigt die Drehzahländerung des Turboladers eines in bekannter Weise aufgeladenen Dieselmotors, die Kurve «b» die Drehzahländerung des Turboladers des erfmdungsgemäss aufgeladenen Dieselmotors, und die Kurve «m» die Drehzahländerung des Dieselmotors.

io Die Kurven a und b der Figur 5 zeigen die Änderung des Luftüberschussfaktors a in der Abhängigkeit der Zeit T bei den Drehzahländerungen nach Fig. 4.

Figur 6 zeigt die Änderung der Rauchzahl in Abhängigkeit der Zeit T.

15 Bei dem beschriebenen Verfahren kann die Luftrückkühlung in der bekannten Ausführung günstig angewendet werden, die eine weitere Erhöhung des Motordrehmoments innerhalb eines bedeutend höheren Drehzahlbereiches ermöglicht. Der Rückkühler wird zweckmässig zwischen den

20 Saugleitungen der Zylinder und dem Luftregelventil angeordnet.

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1 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Turboladung, wobei zwischen dem Turbokompressor (5) des Turboladers (11) und der Ansaugöffnung ( 19) der Zylinder des Verbrennungsmotors in der Frischluftleitung (3) ein Regelventil (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,

dass der Turbokompressor (5) bei der Hälfte der Nenndrehzahl und unter Vollast des Motors eine Frischluftmenge fördert, die dem Frischluftbedarf des Motors zumindest annähernd entspricht, wobei bei Nenndrehzahl und unter Vollast des Motors die vom Turbokompressor geförderte Luftmenge den Frischluftbedarf des Motors (1) um höchstens 10% überschreitet und wobei der vom Turbokompressor gelieferte Luftüberschuss über das auf den zulässigen Ladungsdruck eingestellte, automatisch regelnde Regel ventil (14) abgelassen wird, und dass in einem Drehzahlbereich des Motors

( 1), in welchem der maximal zulässige Verbrennungsspitzendruck nicht erreicht wird, Resonanzaufladung angewendet wird.
2. Ladevorrichtung, bestehend aus einem Turbolader (11) mit Turbokompressor (5) und mit einem Regelventil (14) inderFrischluftleitungzwischen Turbokompressor(5)und Ansaugöffnungen (19) der Zylinder, zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluftleitung (3) des Turbokompressors (5) an einem Sammelbehälter (16) angeschlossen ist, der über ein Resonanzrohr (17) an einen Resonanzbehälter (18) angeschlossen ist, welcher mit den Saugkanälen (19) von drei Zylindern (I -III, IV - VI) verbunden ist, die gegeneinander verschobene Saugperioden aufweisen, und dass die Resonanzfrequenz auf diejenige Motorendrehzahl abgestimmt ist, bei welcher der minimale Füllungsgrad der Zylinder auftritt.
3. Ladevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regel ventil (14) derart ausgebildet ist, dass es öffnet, wenn der Druck in der Frischluftleitung den zulässigen Ladungsdruck erreicht, und schliesst, wenn der Druck in der Frischluftleitung unter den zulässigen Ladungsdruck sinkt.
4. Ladevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das automatische Regelventil (14) ein mit Federkraft belastetes Verschlusselement (23) aufweist und dass dessen Oeffnungsquerschnitt mit dem Verschiebungsweg des Verschlusselementes linear proportional ist.
5. Ladevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Frischluftleitung (3) ein Drackluftkühler angeordnet ist.