CH659854A5 - METHOD AND EQUIPMENT FOR CHARGING PISTON ENGINE ENGINE. - Google Patents

METHOD AND EQUIPMENT FOR CHARGING PISTON ENGINE ENGINE. Download PDF

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CH659854A5
CH659854A5 CH8606/80A CH860680A CH659854A5 CH 659854 A5 CH659854 A5 CH 659854A5 CH 8606/80 A CH8606/80 A CH 8606/80A CH 860680 A CH860680 A CH 860680A CH 659854 A5 CH659854 A5 CH 659854A5
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German (de)
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Attila Janos Tibor Dr- Horvath
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Attila Janos Tibor Horvath Dr
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Abstract

The supercharging method by intake oscillation in piston engine is based on a symetric and pneumatic resonance oscillation of the suction circuit (fig. 7), wherein gas masses (2, 4) determine essentially the proper vibration of the oscillating system with a plurality of masses (fig. 4) comprised of the suction circuit, oscillating symetrically. In a supercharged engine with turbo blower, the symetric resonance oscillation which is the most efficient at low engine speed is generated both by the cylinder group during its suction stroke and by the oscillating flow of the turbo blower (5). Despite of the oscillating flow which is amplified by the rotor of the blower, the compression flow is not exposed to the so feared pumping, because the suction circuit is so arranged that the undimensioned Horvath number, which clearly defines the behaviour of the compression flow of the turbo blower in an unstationnary operation, is not higher than one.

Description

**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **. ** WARNING ** Beginning of DESC field could overlap end of CLMS **.

PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Aufladung einer Kolbenbrennkraftmaschine mittels pneumatischer Gegentaktresonanzschwingung, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrere pneumatische Eigenfrequenzen besitzende Aufladeeinrichtung verwendet wird, welche einer Gruppe von höchstens vier Zylindern, derer Saugperioden sich gegenseitig entweder nicht oder nur geringfügig überdecken, angeschlossen ist, und die durch das periodische Ansaugen der Brennkraftmaschinenzylinder bei einer Motordrehzahl in solcher Eigenschwingungsform angeregt wird, bei welcher die die Eigenschwingungsform bestimmenden pneumatischen Massen in Gegentakt stehen. PATENT CLAIMS 1. A method for charging a reciprocating internal combustion engine by means of pneumatic push-pull resonance oscillation, characterized in that a charging device with several pneumatic natural frequencies is used, which is connected to a group of at most four cylinders whose suction periods either do not or only slightly overlap each other, and which is connected by the periodic suction of the internal combustion engine cylinder is excited at an engine speed in such a natural oscillation form at which the pneumatic masses which determine the natural oscillation form are in push-pull.

2. Aufladeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeeinrichtung einen Abgasturboladerverdichter (5) enthält, dessen stabiler Förderbetrieb durch die Gegentaktschwingung (Fig. 7) der mit grösster kinetischer Energie schwingenden pneumatischen Massen (2, 4) erfolgt. 2. Charging method according to claim 1, characterized in that the charging device contains an exhaust gas turbocharger compressor (5) whose stable conveying operation is carried out by the push-pull oscillation (Fig. 7) of the pneumatic masses (2, 4) oscillating with the greatest kinetic energy.

3. Aufladeverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die pneumatischen Massen enthaltenden Resonanzleitungen (2, 4) oberhalb einer Motordrehzahl, bei welcher die Aufladeeinrichtung durch die pneumatische Resonanzschwingung die Zylinderfüllung nicht vergrössern kann, durch Öffnung grossflächiger druckgesteuerter Ventile (la, 3a) kurzgeschlossen werden (Fig. 2). 3. Charging method according to claim 2, characterized in that the resonance lines (2, 4) containing the pneumatic masses above an engine speed at which the charging device cannot increase the cylinder charge due to the pneumatic resonance oscillation, by opening large-area pressure-controlled valves (la, 3a) be short-circuited (Fig. 2).

4. Aufladeverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeeinrichtung (Fig. 8) einen Ansaugfilter (7) und einen Resonanzbehälter (1) und dazwischen eine Resonanzleitung aufweist und der Abgasturboladerverdichter -(5) in die Resonanzleitung zwischen Bewegungsknotenpunkt (Kp in Fig. 10) und Ansaugfilter eingebaut ist. 4. Charging method according to claim 2, characterized in that the charging device (Fig. 8) has an intake filter (7) and a resonance container (1) and a resonance line between them and the exhaust gas turbocharger compressor - (5) into the resonance line between the movement node (Kp in Fig . 10) and suction filter is installed.

5. Aufladeverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzleitungen durch je ein Ventil (la, 3a) bei einer Motordrehzahl kurzgeschlossen werden, bei welcher die Aufladeeinrichtung die Zylinderfüllung durch pneumatische Resonanzschwingung nicht unterstützen kann. 5. Charging method according to claim 2, characterized in that the resonance lines are short-circuited by a valve (la, 3a) each at an engine speed at which the charging device cannot support the cylinder filling by pneumatic resonance oscillation.

6. Aufladeeinrichtung zur Durchführung des Aufladeverfahrens nach Anspruch 1 an einer Kolbenbrennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass sie Resonanzvolumina (1, 3) von mindestens dem eineinhalbfachen Inhalt eines Zylinders aufweist, dass Resonanzleitungen (2, 4) vorhanden sind, deren Länge jeweils grösser als das Fünffache des jeweiligen Resonanzleitungsinnendurchmessers ist, dass die Resonanzleitungsinnendurchmesser grösser als das Einzehntelfache der aus dem Hubvolumen eines einzelnen Zylinders durch Ziehung der dritten Wurzel gebildeten Referenzlänge, jedoch kleiner als das Anderthalbfache der Referenzlänge sind. 6. Charging device for carrying out the charging process according to claim 1 on a reciprocating internal combustion engine, characterized in that it has resonance volumes (1, 3) of at least one and a half times the content of a cylinder, that resonance lines (2, 4) are present, the length of which is greater than that Five times the internal diameter of the resonance line is that the internal diameter of the resonance line is greater than one tenth of the reference length formed from the stroke volume of an individual cylinder by taking the third root, but less than one and a half times the reference length.

7. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzleitungen auf die die Resonanzvolumina bildenden Resonanzbehälter spiralenförmig aufgewikkelt sind. 7. Charging device according to claim 6, characterized in that the resonance lines are wound onto the resonance containers forming the resonance volumes in a spiral shape.

8. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Resonanzbehälter als Frischluftkühler ausgebildet ist. 8. Charging device according to claim 6, characterized in that the one resonance container is designed as a fresh air cooler.

9. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzbehälter eine gemeinsame Wand aufweisen. 9. Charging device according to claim 6, characterized in that the resonance containers have a common wall.

Es ist eine physikalische Tatsache, dass die Kolbenbrennkraftmaschine in dem unteren Drehzahlbereich - trotz Turboaufladung - nur eine schwache Leistung abgibt. Um Abhilfe zu schaffen, konstruiert man solche Lufteinlasssysteme, die in diesem Drehzahlbereich eine Resonanzschwingung aufweisen, mittels derer eine vergrösserte Frischgasmenge in den ansaugenden Zylinder zugeleitet wird. Durch optimale Beimischung von Kraftstoff führt dies zur erhöhten Motorleistung. It is a physical fact that the piston internal combustion engine in the lower speed range - despite turbocharging - only delivers weak power. In order to remedy this, such air intake systems are designed which have a resonance oscillation in this speed range, by means of which an increased amount of fresh gas is fed into the intake cylinder. By optimally adding fuel, this leads to increased engine performance.

Die bis heute erfolgreich angewandten Ausführungen der Resonanzaufladung bestehen aus einer technischen Lösung, die in der österreichischen Patentschrift Nr. 330506 von 1975.09.15 formuliert ist (in Fachkreisen spricht man über das Cser-System). Diese technische Realisierung von Resonanzaufladung arbeitet mit zwei voneinander durch Resonanzrohre und einem Ausgleichsbehälter getrennten Zylindergruppen, zwischen denen im Takt der Saugperioden mehrere Zehntel bar (typisch: 3/wo) zeitlich günstig liegende Druckspitzen des Frischluftstromes vor dem in Ansaugtakt stehenden Zylinder auftreten. Bei einer vierzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine ist dieses Resonanzaufladesystem technisch nicht realisierbar.Die in der englischen Patentschrift GB 2038942 A von 1980.07.30. formulierte Lösung für Vierzylindermotore bleibt nur ein Versuch, da ja der die fehlende Zylindergruppe ersetzende Blindresonator nicht erregt werden kann, was zu einer unbedeutenden Druckerhöhung im Ansaugsystem führt. The designs of resonance charging, which have been used successfully to this day, consist of a technical solution that is formulated in Austrian patent specification no. 330506 from 09.15.1975 (experts talk about the Cser system). This technical implementation of resonance charging works with two cylinder groups separated from one another by resonance pipes and an expansion tank, between which several tenths of a bar (typically: 3 / where) occur at favorable pressure peaks of the fresh air flow before the cylinder in the intake cycle. This resonance charging system cannot be technically implemented in a four-cylinder piston internal combustion engine, as described in the English patent specification GB 2038942 A from 07.30 1980. The formulated solution for four-cylinder engines remains only an attempt, since the dummy resonator that replaces the missing cylinder group cannot be excited, which leads to an insignificant pressure increase in the intake system.

Die vorliegende Erfindung bringt die technisch realisierbare Resonanzaufladung von Kolbenbrennkraftmaschinen, aus deren Zylindern saugseitig maximal Vierergruppen zusammengefasst werden, durch ein Prinzip, nach welchem die nach der Erfindung gestaltete Aufladeeinrichtung in Gegentaktresonanzschwingung erregt und ebenso von den in Ansaugtakt stehenden Zylindern wie auch von der fluktuierenden Strömung des Turboladerverdichters in Schwingung gehalten wird. Handelt es sich um Saugmotoren, dann wird die Erregung naturgemäss nur von den in Saugtakt stehenden Kolben geliefert. The present invention brings the technically feasible resonance charging of piston internal combustion engines, from the cylinders of which a maximum of groups of four are combined on the intake side, by a principle according to which the charging device designed according to the invention is excited in push-pull resonance oscillation and also from the cylinders in the intake stroke as well as from the fluctuating flow of the Turbocharger compressor is kept vibrating. In the case of naturally aspirated engines, the excitation is naturally only supplied by the pistons that are in the aspiration cycle.

Nachfolgend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1: Kolbenmotor mit drei ausgeprägten Volumina im Ansaugsystem Fig. 2: Turboaufgeladener Kolbenmotor mit drei ausgeprägten Volumina im Ansaugsystem Fig. 3: Ansaugsystem eines Kolbenmotors nach Fig. 1 und 2 Fig. 4: Aus Fig. 3 gebildeter pneumatischer Schwinger Fig. 5, 6, 7: Eigenformen des Schwingers nach Fig. 4 Fig. 8: Ansaugsystem eines Kolbenmotors mit zwei ausgeprägten Volumina und einer Resonanzleitung mit schwingungstechnischem Kontinuumscharakter Fig. 9 und 10: Darstellung der Schwingungsform Fig. 1 stellt einen einen vierzylindrigen Saugmotor 11 mit Schwungrad 12, mit Auspuffleitungen 10 und mit den Saugrohren 9, die in das erste Resonanzvolumen 1 münden, welches durch die Resonanzleitung 2 mit dem zweiten Resonanzvolumen 3 verbunden ist, dar.Das zweite Resonanzvolumen steht durch das Resonanzrohr 4 mit dem Ansaugfiltervolumen 7, das mit der Frischluftsaugleitung 8 versehen ist, in Verbindung. The invention is explained below using exemplary embodiments with reference to the drawings. Show it: Fig. 1: Piston engine with three distinct volumes in the intake system Fig. 2: Turbo-charged piston engine with three distinct volumes in the intake system 3: The intake system of a piston engine according to FIGS. 1 and 2 Fig. 4: Pneumatic oscillator formed from Fig. 3 5, 6, 7: Eigenforms of the oscillator according to FIG. 4 Fig. 8: Intake system of a piston engine with two distinct volumes and a resonance line with vibrational continuum character 9 and 10: Representation of the waveform 1 shows a four-cylinder naturally aspirated engine 11 with a flywheel 12, with exhaust lines 10 and with the intake manifolds 9, which open into the first resonance volume 1, which is connected to the second resonance volume 3 by the resonance line 2. The second resonance volume stands through the resonance pipe 4 with the suction filter volume 7, which is provided with the fresh air suction line 8, in connection.

In Fig. 2 sieht man den gleichen Motor mit Turboaufladung. Die Auspuffgase werden mittels der Leitung 10 in die Turbine 13 des Turboladers 15 geleitet. Dieser heisse und unter Überdruck stehende Auspuffgasmassenstrom treibt die Turbine 13 an und tritt durch die Leitung 14 in das mit den hier nicht gezeichneten Schalldämpfern ausgestaltete Auspuffsystem ein. Das mit der Turbine auf gleicher Welle sitzende Verdichterrad 5 saugt durch die kurze Leitung 6 die Frischluft aus dem Ansaugfiltervolumen 7. Je nach in der Turbine zur Verfügung stehender Leistung liefert der Verdichter einen bestimmten Frischluftmassenstrom mit Überdruck in die Resonanzleitung 4, aus welcher der unter Druck stehende Massenstrom durch das zweite Resonanzvolumen 3, die erste Resonanzleitung 2, das erste Resonanzvolumen 1 und durch das Saugrohr 9 in den in Saugtakt stehenden Zylinder fliesst. Durch zwei grossflächige, mittels Laderdruck (Drucköl, Solenoid) gesteuerte Ventile 1 a, 3a können die Resonanzleitungen 2 und 4 umgangen werden, um die bei In Fig. 2 you can see the same engine with turbocharging. The exhaust gases are fed into the turbine 13 of the turbocharger 15 by means of the line 10. This hot exhaust gas mass flow, which is under excess pressure, drives the turbine 13 and enters the exhaust system, which is configured with the silencers (not shown here) through the line 14. The compressor wheel 5, which is seated on the same shaft as the turbine, sucks the fresh air out of the intake filter volume 7 through the short line 6 standing mass flow flows through the second resonance volume 3, the first resonance line 2, the first resonance volume 1 and through the intake manifold 9 into the cylinder in the intake cycle. The resonance lines 2 and 4 can be bypassed by means of two large-area valves 1 a, 3a controlled by means of supercharger pressure (pressure oil, solenoid), in order to avoid the

höheren Motordrehzahlen in den Resonanzleitungen durch den vergrösserten Verdichterlieferstrom verursachten Druckverluste auszuschalten. to switch off pressure losses caused by the increased compressor delivery flow at higher engine speeds in the resonance lines.

Die in den Fig. 1, 2 und 3 skizzierten Ansaugsysteme können nach Fig. 4 durch einen pneumatischen Mehrmassenschwinger ersetzt werden, der durch drei pneumatische Federn ci, C2, C3 und ebensoviele pneumatische Massen m2, m4 6, ms charakterisiert werden kann. Bekanntlich wird die pneumatische Feder durch den Quotient (Resonanzvolumen/ Schallgeschwindigkeitsquadrat), die pneumatische Masse durch den Quotient (Länge/Querschnitt) definiert. Wie diese Grössen in einem pneumatischen System nach Fig. 3 zu bestimmen sind, findet man in der Arbeit von Dr. A.J.T. Hor vàth: Der Pumpvorgang von Verdichtern und Kreiselpumpen als nichtlineare Schwingung , Zürich 1976, Juris Verlag. The suction systems outlined in FIGS. 1, 2 and 3 can be replaced according to FIG. 4 by a pneumatic multi-mass oscillator which can be characterized by three pneumatic springs ci, C2, C3 and an equal number of pneumatic masses m2, m4 6, ms. As is well known, the pneumatic spring is defined by the quotient (resonance volume / speed of sound square), the pneumatic mass by the quotient (length / cross section). How these quantities are to be determined in a pneumatic system according to FIG. 3 can be found in the work of Dr. A.J.T. Hor vàth: The pumping process of compressors and centrifugal pumps as non-linear oscillation, Zurich 1976, Juris Verlag.

Das in Fig. 4 dargestellte pneumatische Schwingungssystem, welches das erfindungsgemässe Ansaugsystem eines turboaufgeladenen Motors repräsentiert, besitzt drei tiefere Eigenfrequenzen mit den typischen Schwingungseigenformen Fig. 5, 6, 7. Nach vorliegender Erfindung wird die dritte, in Fig. 7 dargestellte Eigenform technisch ausgenützt, bei welcher die als konzentriert aufgefassten pneumatischen Massen m2 und m4 6 in Gegentakt schwingen. Nur diese Schwingungsform in Gegentakt ermöglicht pro Schwingung eine zweimalige Energiezufuhr in den Schwinger teils von dem in Ansaugtakt stehenden Kolben der Brennkraftmaschine, teils von dem Turboladerverdichter 5. The pneumatic oscillation system shown in FIG. 4, which represents the intake system according to the invention of a turbocharged engine, has three lower natural frequencies with the typical natural oscillation forms in FIGS. 5, 6, 7. According to the present invention, the third natural form shown in FIG. 7 is used technically, in which the pneumatic masses m2 and m4 6, perceived as concentrated, oscillate in push-pull. Only this type of oscillation in push-pull enables energy to be supplied to the oscillator twice per oscillation, partly from the piston of the internal combustion engine that is in the intake stroke and partly from the turbocharger compressor 5.

Den stabilen Betrieb eines Turboladers in Verbindung mit einer Kolbenbrennkraftmaschine, welche dem Turboladerverdichter wie ein Verbraucher mit periodischer Lieferstromentnahme erscheint, ist schwer zu gewährleisten. Um diesen Schwierigkeiten aus dem Weg zu gehen, verwendet die Resonanzaufladung nach Cser (vgl. die österreichische Patentschrift Nr. 330506) einen Ausgleichsbehälter, der den Turboladerverdichter von dem in Resonanz schwingenden pneumatischen System trennt. Die erste allgemeingültige mathematische Theorie zur Beschreibung der Stabilität eines in der Nähe der Pumpgrenze ausgelegten Turboladerverdichters mit schwankender Entnahmequelle wurde von Dr. A.J.T. It is difficult to guarantee the stable operation of a turbocharger in connection with a piston internal combustion engine, which appears to the turbocharger compressor as a consumer with a periodic supply current withdrawal. In order to avoid these difficulties, resonance charging according to Cser (cf. Austrian patent specification No. 330506) uses an expansion tank that separates the turbocharger compressor from the pneumatic system that vibrates in resonance. The first generally applicable mathematical theory to describe the stability of a turbocharger compressor designed near the surge limit with a fluctuating extraction source was developed by Dr. A.J.T.

Horväth aufgestellt. Nach dieser Theorie hängt das Verhalten des Turboladerverdichters von der Gösse der Horväthschen Zahl ab (vgl. VDI-Berichte 361, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1980, Seiten 23/31). Die Horväthsche Zahl ist eine dimensionslose Grösse, welche aus einem Produkt der mittleren, im Einsattelungsgebiet gebildeten Druck-Lieferstromcharakteristiksteigung des Turboladerverdichters und eines unter Quadratwurzel stehenden Quotienten, welcher im Zähler eine pneumatische Feder, im Nenner eine pneumatische Masse aufweist, gebildet wird (in Formel:K s:.(c/m), in Dimensio- nen: ((N/m2)/(kg/s))((m3/(m/s)2)/(m/m2))'M1). Um einen stabilen, den Pumpvorgang vermeidenden Betrieb eines Turboladerverdichters zu gewährleisten, muss die Horväthsche Zahl eins oder kleiner als eins sein. Ist diese Forderung erfüllt, so bleibt der Betrieb des Turboladerverdichters stabil, obwohl die Verdichterströmung Energie in die Resonanzschwingung zur Vergrösserung der Druckamplitude hineinspeist (d.h. der Verdichterlieferstrom schwankt im Takt der Resonanzschwingung, ohne dabei in den gefürchteten Pumpvorgang zu geraten). Horväth set up. According to this theory, the behavior of the turbocharger compressor depends on the size of the Horväth number (cf. VDI reports 361, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1980, pages 23/31). The Horväth number is a dimensionless quantity that is formed from a product of the mean pressure-delivery flow characteristic gradient of the turbocharger compressor formed in the saddle area and a quotient under the square root, which has a pneumatic spring in the numerator and a pneumatic mass in the denominator (in the formula: K s:. (C / m), in dimensions: ((N / m2) / (kg / s)) ((m3 / (m / s) 2) / (m / m2)) 'M1). In order to ensure stable operation of a turbocharger compressor that avoids the pumping process, the Horväth number must be one or less than one. If this requirement is met, the operation of the turbocharger compressor remains stable, although the compressor flow feeds energy into the resonance oscillation to increase the pressure amplitude (i.e. the compressor delivery flow fluctuates in time with the resonance oscillation without getting into the dreaded pumping process).

Schwingt das in Fig. 3 dargestellte pneumatische System mit der dritten Eigenform Fig. 7, so wird die zur Berechnung der Horväthschen Zahl notwendige pneumatische Feder aus dem mittels der Schwingungsamplituden If the pneumatic system shown in FIG. 3 vibrates with the third eigenmode, FIG. 7, then the pneumatic spring necessary for calculating the Horväth number is derived from the vibration amplitudes

korrigierten Resonanzvolumen 3, aus der pneumatischen Masse m4 6 und aus der erwähnten mittleren Druck-Liefer- stromcharakteristiksteigung, die bei den marktüblichen Turboladerverdichtern in dem unteren Drehzahlbereich etwa die Grösse Kt:5- 105 ((N/m2)/(kg/s)), N=kgm/s2, aufweist, gebildet.Wird die Resonanzaufladung einer turboaufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine nur durch ein ausgeprägtes Resonanzvolumen 1 und eine Resonanzleitung, in der der Turboladerverdichter 5 durch eine kurze Leitung 6 aus dem Luftfiltervolumen die Frischluft ansaugt, realisiert, so gilt folgendes: Die erfindungsgemässe Gegentaktresonanzschwingung, die in einem bestimmten Drehzahlbereich der turboaufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine wirksam sein soll, tritt als erste Oberschwingung Fig. 10 des in Fig. 8 dargestellten pneumatischen Schwingers auf.Hierbei verhält sich die Resonanzleitung 2, 4, 5, 6 schwingungstechnisch wie ein Kontinuum, das nach Fig. 9 aus sehr vielen (im Grenzfall: unendlich vielen) in Serie geschalteten elementaren Feder-cli und Massenelementen m11 zusammengesetzt werden kann und welches im Grenzfall unendlich viele Resonanzschwingungen besitzt. Die in Fig. 10 gezeichnete Ausschlagsverteilung cli der ersten Resonanzoberschwingung besitzt einen Knotenpunkt Kp, in welchem ein Druckmaximum auftritt, falls die Schwingungsenergie in potentieller Form erscheint. Um den erfindungsgemässen stabilen Betrieb des Turboladerverdichters zu sichern, ist es notwendig, den Verdichter 5 zwischen Luftfiltervolumen 7 und dem Bewegungsknotenpunkt Kp nach Fig. 10 einzubauen.Auf diese Weise erreicht man, dass der pneumatische Schwinger nach Fig. 8 einerseits von dem im Ansaugtakt stehenden Kolben des Verbrennungsmotors, andererseits von dem Turboladerverdichter 5 genügende Energie zur Aufrechterhaltung der Resonanzschwingung beziehen kann. Ferner gewährleistet diese Einbauvorschrift des Turboladerverdichters einen stabilen Verdichterbetrieb ohne Pumpgefahr in solchen Ansaugsystemen, bei denen das Volumen 1 ein Mehrfaches der angeschlossenen Hubvolumina der Kolbenbrennkraftmaschine ausmacht (Anwendungsfall: grosse, turboaufgeladene Schiffsmotoren mit in Volumen 1 inkorporierten, grossflächigen Kühlern). corrected resonance volume 3, from the pneumatic mass m4 6 and from the mentioned mean pressure-delivery flow characteristic increase, which in the case of the turbocharger compressors available on the market in the lower speed range is approximately the size Kt: 5-105 ((N / m2) / (kg / s) ), N = kgm / s2. If the resonance charging of a turbo-charged piston internal combustion engine is only realized by a pronounced resonance volume 1 and a resonance line in which the turbocharger compressor 5 draws in fresh air through a short line 6 from the air filter volume, the following applies : The push-pull resonance oscillation according to the invention, which should be effective in a certain speed range of the turbo-charged piston engine, occurs as the first harmonic in Fig. 10 of the pneumatic oscillator shown in Fig. 8. Here, the resonance line 2, 4, 5, 6 behaves like a continuum in terms of oscillation , that according to Fig. 9 from very many (in the limit: infinitely many) in series switched elementary spring cli and mass elements m11 can be put together and which has an infinite number of resonance oscillations in the limit case. The deflection distribution cli of the first resonance harmonic shown in FIG. 10 has a node Kp at which a pressure maximum occurs if the vibration energy appears in potential form. In order to ensure the stable operation of the turbocharger compressor according to the invention, it is necessary to install the compressor 5 between the air filter volume 7 and the movement node Kp according to FIG. 10. In this way, one achieves that the pneumatic oscillator according to FIG Piston of the internal combustion engine, on the other hand, can obtain sufficient energy from the turbocharger compressor 5 to maintain the resonance oscillation. Furthermore, these installation instructions for the turbocharger compressor ensure stable compressor operation without the risk of pumping in suction systems in which volume 1 is a multiple of the connected stroke volume of the piston engine (application: large, turbo-charged marine engines with large-area coolers incorporated in volume 1).

Es wurde noch nicht erörtert, wie das Schwingungsverhalten des in Fig. 3 und Fig. 8 dargestellten Ansaugsystems durch die Zuschaltung des in Ansaugtakt stehenden Zylinders beeinflusst wird. Bekanntlich bildet der Hubraum eines Zylinders der Kolbenbrennkraftmaschine mit seinem Ansaugrohr 9 einen Helmholtz-Resonator, der eine gut definierbare Eigenfrequenz besitzt. Wird nun dieser Helmholtz-Resonator zu dem in Fig. 3 oder in Fig. 8 dargestellten Ansaugsystem geschaltet, dann muss durch die passende Wahl des Ansaugrohrs 9 dafür gesorgt werden, dass die neu entstandene Schwingungseigenform des Gesamtansaugsystems, bei welcher die pneumatischen Massen 9 und 2 in Gegentakt schwingen, in dem ganzen Drehzahlbereich der Kolbenbrennkraftmaschine nicht erregt werden kann, da sonst der Füllungsgrad des Zylinders erheblich verschlechtert und damit der Wirkungsgrad der Kolbenbrennkraftmaschine herabgesetzt wird. It has not yet been discussed how the vibration behavior of the intake system shown in FIGS. 3 and 8 is influenced by the activation of the cylinder in the intake stroke. As is known, the displacement of a cylinder of the piston internal combustion engine with its intake pipe 9 forms a Helmholtz resonator which has a well-defined natural frequency. If this Helmholtz resonator is now switched to the intake system shown in FIG. 3 or in FIG. 8, then the appropriate choice of intake pipe 9 must ensure that the newly created natural oscillation of the overall intake system, in which the pneumatic masses 9 and 2 oscillate in push-pull, in the entire speed range of the piston internal combustion engine cannot be excited, otherwise the degree of filling of the cylinder deteriorates considerably and thus the efficiency of the piston internal combustion engine is reduced.

Es ist noch zu bemerken, dass die in der Patentschrift erwähnten Rohrleitungen nicht nur Kreisquerschnitt aufweisen können. Hat die Rohrleitung eine beliebig geformte Querschnittsfläche, so gilt als kennzeichnender Durchmesser die Grösse, mittels derer ein flächengleicher Kreisquerschnitt gebildet werden kann. It should also be noted that the pipelines mentioned in the patent can not only have circular cross-sections. If the pipeline has a cross-sectional area of any shape, the characteristic diameter is the size by means of which a circular cross-section of the same area can be formed.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS 1. Verfahren zur Aufladung einer Kolbenbrennkraftmaschine mittels pneumatischer Gegentaktresonanzschwingung, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrere pneumatische Eigenfrequenzen besitzende Aufladeeinrichtung verwendet wird, welche einer Gruppe von höchstens vier Zylindern, derer Saugperioden sich gegenseitig entweder nicht oder nur geringfügig überdecken, angeschlossen ist, und die durch das periodische Ansaugen der Brennkraftmaschinenzylinder bei einer Motordrehzahl in solcher Eigenschwingungsform angeregt wird, bei welcher die die Eigenschwingungsform bestimmenden pneumatischen Massen in Gegentakt stehen.1. A method for charging a reciprocating internal combustion engine by means of pneumatic push-pull resonance oscillation, characterized in that a charging device with several pneumatic natural frequencies is used, which is connected to a group of at most four cylinders whose suction periods either do not or only slightly overlap each other, and which is connected by the periodic suction of the internal combustion engine cylinder is excited at an engine speed in such a natural oscillation form at which the pneumatic masses which determine the natural oscillation form are in push-pull. 2. Aufladeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeeinrichtung einen Abgasturboladerverdichter (5) enthält, dessen stabiler Förderbetrieb durch die Gegentaktschwingung (Fig. 7) der mit grösster kinetischer Energie schwingenden pneumatischen Massen (2, 4) erfolgt.2. Charging method according to claim 1, characterized in that the charging device contains an exhaust gas turbocharger compressor (5) whose stable conveying operation is carried out by the push-pull oscillation (Fig. 7) of the pneumatic masses (2, 4) oscillating with the greatest kinetic energy. 3. Aufladeverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die pneumatischen Massen enthaltenden Resonanzleitungen (2, 4) oberhalb einer Motordrehzahl, bei welcher die Aufladeeinrichtung durch die pneumatische Resonanzschwingung die Zylinderfüllung nicht vergrössern kann, durch Öffnung grossflächiger druckgesteuerter Ventile (la, 3a) kurzgeschlossen werden (Fig. 2).3. Charging method according to claim 2, characterized in that the resonance lines (2, 4) containing the pneumatic masses above an engine speed at which the charging device cannot increase the cylinder charge due to the pneumatic resonance oscillation, by opening large-area pressure-controlled valves (la, 3a) be short-circuited (Fig. 2). 4. Aufladeverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeeinrichtung (Fig. 8) einen Ansaugfilter (7) und einen Resonanzbehälter (1) und dazwischen eine Resonanzleitung aufweist und der Abgasturboladerverdichter -(5) in die Resonanzleitung zwischen Bewegungsknotenpunkt (Kp in Fig. 10) und Ansaugfilter eingebaut ist.4. Charging method according to claim 2, characterized in that the charging device (Fig. 8) has an intake filter (7) and a resonance container (1) and a resonance line between them and the exhaust gas turbocharger compressor - (5) into the resonance line between the movement node (Kp in Fig . 10) and suction filter is installed. 5. Aufladeverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzleitungen durch je ein Ventil (la, 3a) bei einer Motordrehzahl kurzgeschlossen werden, bei welcher die Aufladeeinrichtung die Zylinderfüllung durch pneumatische Resonanzschwingung nicht unterstützen kann.5. Charging method according to claim 2, characterized in that the resonance lines are short-circuited by a valve (la, 3a) each at an engine speed at which the charging device cannot support the cylinder filling by pneumatic resonance oscillation. 6. Aufladeeinrichtung zur Durchführung des Aufladeverfahrens nach Anspruch 1 an einer Kolbenbrennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass sie Resonanzvolumina (1, 3) von mindestens dem eineinhalbfachen Inhalt eines Zylinders aufweist, dass Resonanzleitungen (2, 4) vorhanden sind, deren Länge jeweils grösser als das Fünffache des jeweiligen Resonanzleitungsinnendurchmessers ist, dass die Resonanzleitungsinnendurchmesser grösser als das Einzehntelfache der aus dem Hubvolumen eines einzelnen Zylinders durch Ziehung der dritten Wurzel gebildeten Referenzlänge, jedoch kleiner als das Anderthalbfache der Referenzlänge sind.6. Charging device for carrying out the charging process according to claim 1 on a reciprocating internal combustion engine, characterized in that it has resonance volumes (1, 3) of at least one and a half times the content of a cylinder, that resonance lines (2, 4) are present, the length of which is greater than that Five times the internal diameter of the resonance line is that the internal diameter of the resonance line is greater than one tenth of the reference length formed from the stroke volume of an individual cylinder by taking the third root, but less than one and a half times the reference length. 7. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzleitungen auf die die Resonanzvolumina bildenden Resonanzbehälter spiralenförmig aufgewikkelt sind.7. Charging device according to claim 6, characterized in that the resonance lines are wound onto the resonance containers forming the resonance volumes in a spiral shape. 8. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Resonanzbehälter als Frischluftkühler ausgebildet ist.8. Charging device according to claim 6, characterized in that the one resonance container is designed as a fresh air cooler. 9. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzbehälter eine gemeinsame Wand aufweisen.9. Charging device according to claim 6, characterized in that the resonance containers have a common wall. Es ist eine physikalische Tatsache, dass die Kolbenbrennkraftmaschine in dem unteren Drehzahlbereich - trotz Turboaufladung - nur eine schwache Leistung abgibt. Um Abhilfe zu schaffen, konstruiert man solche Lufteinlasssysteme, die in diesem Drehzahlbereich eine Resonanzschwingung aufweisen, mittels derer eine vergrösserte Frischgasmenge in den ansaugenden Zylinder zugeleitet wird. Durch optimale Beimischung von Kraftstoff führt dies zur erhöhten Motorleistung.It is a physical fact that the piston internal combustion engine in the lower speed range - despite turbocharging - only delivers weak power. In order to remedy this, such air intake systems are designed which have a resonance oscillation in this speed range, by means of which an increased amount of fresh gas is fed into the intake cylinder. By optimally adding fuel, this leads to increased engine performance. Die bis heute erfolgreich angewandten Ausführungen der Resonanzaufladung bestehen aus einer technischen Lösung, die in der österreichischen Patentschrift Nr. 330506 von 1975.09.15 formuliert ist (in Fachkreisen spricht man über das Cser-System). Diese technische Realisierung von Resonanzaufladung arbeitet mit zwei voneinander durch Resonanzrohre und einem Ausgleichsbehälter getrennten Zylindergruppen, zwischen denen im Takt der Saugperioden mehrere Zehntel bar (typisch: 3/wo) zeitlich günstig liegende Druckspitzen des Frischluftstromes vor dem in Ansaugtakt stehenden Zylinder auftreten. Bei einer vierzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine ist dieses Resonanzaufladesystem technisch nicht realisierbar.Die in der englischen Patentschrift GB 2038942 A von 1980.07.30. formulierte Lösung für Vierzylindermotore bleibt nur ein Versuch, da ja der die fehlende Zylindergruppe ersetzende Blindresonator nicht erregt werden kann, was zu einer unbedeutenden Druckerhöhung im Ansaugsystem führt.The designs of resonance charging, which have been used successfully to this day, consist of a technical solution that is formulated in Austrian patent specification no. 330506 from 09.15.1975 (experts talk about the Cser system). This technical implementation of resonance charging works with two cylinder groups separated from one another by resonance pipes and an expansion tank, between which several tenths of a bar (typically: 3 / where) occur at favorable pressure peaks of the fresh air flow before the cylinder in the intake cycle. This resonance charging system cannot be technically implemented in a four-cylinder piston internal combustion engine, as described in the English patent specification GB 2038942 A from 07.30 1980. The formulated solution for four-cylinder engines remains only an attempt, since the dummy resonator that replaces the missing cylinder group cannot be excited, which leads to an insignificant pressure increase in the intake system. Die vorliegende Erfindung bringt die technisch realisierbare Resonanzaufladung von Kolbenbrennkraftmaschinen, aus deren Zylindern saugseitig maximal Vierergruppen zusammengefasst werden, durch ein Prinzip, nach welchem die nach der Erfindung gestaltete Aufladeeinrichtung in Gegentaktresonanzschwingung erregt und ebenso von den in Ansaugtakt stehenden Zylindern wie auch von der fluktuierenden Strömung des Turboladerverdichters in Schwingung gehalten wird. Handelt es sich um Saugmotoren, dann wird die Erregung naturgemäss nur von den in Saugtakt stehenden Kolben geliefert.The present invention brings the technically feasible resonance charging of piston internal combustion engines, from the cylinders of which a maximum of groups of four are combined on the intake side, by a principle according to which the charging device designed according to the invention is excited in push-pull resonance oscillation and also from the cylinders in the intake stroke as well as from the fluctuating flow of the Turbocharger compressor is kept vibrating. In the case of naturally aspirated engines, the excitation is naturally only supplied by the pistons that are in the aspiration cycle. Nachfolgend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1: Kolbenmotor mit drei ausgeprägten Volumina im Ansaugsystem Fig. 2: Turboaufgeladener Kolbenmotor mit drei ausgeprägten Volumina im Ansaugsystem Fig. 3: Ansaugsystem eines Kolbenmotors nach Fig. 1 und 2 Fig. 4: Aus Fig. 3 gebildeter pneumatischer Schwinger Fig. 5, 6, 7: Eigenformen des Schwingers nach Fig. 4 Fig. 8: Ansaugsystem eines Kolbenmotors mit zwei ausgeprägten Volumina und einer Resonanzleitung mit schwingungstechnischem Kontinuumscharakter Fig. 9 undThe invention is explained below using exemplary embodiments with reference to the drawings. Show it: Fig. 1: Piston engine with three distinct volumes in the intake system Fig. 2: Turbo-charged piston engine with three distinct volumes in the intake system 3: The intake system of a piston engine according to FIGS. 1 and 2 Fig. 4: Pneumatic oscillator formed from Fig. 3 5, 6, 7: Eigenforms of the oscillator according to FIG. 4 Fig. 8: Intake system of a piston engine with two distinct volumes and a resonance line with vibrational continuum character Fig. 9 and 10: Darstellung der Schwingungsform Fig. 1 stellt einen einen vierzylindrigen Saugmotor 11 mit Schwungrad 12, mit Auspuffleitungen 10 und mit den Saugrohren 9, die in das erste Resonanzvolumen 1 münden, welches durch die Resonanzleitung 2 mit dem zweiten Resonanzvolumen 3 verbunden ist, dar.Das zweite Resonanzvolumen steht durch das Resonanzrohr 4 mit dem Ansaugfiltervolumen 7, das mit der Frischluftsaugleitung 8 versehen ist, in Verbindung.10: Representation of the waveform 1 shows a four-cylinder naturally aspirated engine 11 with a flywheel 12, with exhaust lines 10 and with the intake manifolds 9, which open into the first resonance volume 1, which is connected to the second resonance volume 3 by the resonance line 2. The second resonance volume stands through the resonance pipe 4 with the suction filter volume 7, which is provided with the fresh air suction line 8, in connection. In Fig. 2 sieht man den gleichen Motor mit Turboaufladung. Die Auspuffgase werden mittels der Leitung 10 in die Turbine 13 des Turboladers 15 geleitet. Dieser heisse und unter Überdruck stehende Auspuffgasmassenstrom treibt die Turbine 13 an und tritt durch die Leitung 14 in das mit den hier nicht gezeichneten Schalldämpfern ausgestaltete Auspuffsystem ein. Das mit der Turbine auf gleicher Welle sitzende Verdichterrad 5 saugt durch die kurze Leitung 6 die Frischluft aus dem Ansaugfiltervolumen 7. Je nach in der Turbine zur Verfügung stehender Leistung liefert der Verdichter einen bestimmten Frischluftmassenstrom mit Überdruck in die Resonanzleitung 4, aus welcher der unter Druck stehende Massenstrom durch das zweite Resonanzvolumen 3, die erste Resonanzleitung 2, das erste Resonanzvolumen 1 und durch das Saugrohr 9 in den in Saugtakt stehenden Zylinder fliesst. Durch zwei grossflächige, mittels Laderdruck (Drucköl, Solenoid) gesteuerte Ventile 1 a, 3a können die Resonanzleitungen 2 und 4 umgangen werden, um die bei In Fig. 2 you can see the same engine with turbocharging. The exhaust gases are fed into the turbine 13 of the turbocharger 15 by means of the line 10. This hot exhaust gas mass flow, which is under excess pressure, drives the turbine 13 and enters the exhaust system, which is configured with the silencers (not shown here) through the line 14. The compressor wheel 5, which is seated on the same shaft as the turbine, sucks the fresh air from the intake filter volume 7 through the short line 6. Depending on the power available in the turbine, the compressor delivers a certain fresh air mass flow with overpressure into the resonance line 4, from which the under pressure standing mass flow flows through the second resonance volume 3, the first resonance line 2, the first resonance volume 1 and through the intake manifold 9 into the cylinder in the intake cycle. The resonance lines 2 and 4 can be bypassed by means of two large-area valves 1 a, 3a controlled by means of supercharger pressure (pressure oil, solenoid), in order to avoid the **WARNUNG** Ende CLMS Feld konnte Anfang DESC uberlappen**.** WARNING ** End of CLMS field could overlap beginning of DESC **.
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