[0001] In der Theorie ist der Wirkungsgrad eines mit einer Abgasturbine aufgeladenen Verbrennungsmotors grösser als ein nicht aufgeladener Verbrennungsmotor, weil die Energie der ausströmenden Abgase auch genutzt werden.
[0002] In der Praxis hat sich aber nur bei den Dieselmotoren der Wirkungsgrad erhöht und dadurch wurde beim aufgeladene Dieselmotor auch eine Verminderung des Kraftstoffverbrauchs erzielt. Bei den Otto-Verbrennungsmotoren führte die Anwendung der Abgasturbine zu zusätzlichen Mehrleistung, jedoch ohne den Wirkungsgrad merklich zu verbessern.
[0003] Je nach Höhe des gewählten Druckverhältnisses erwärmt sich die Luft bei der Verdichtung in der Abgasturbine mehr oder weniger stark. Neben der erwünschten Dichtesteigerung erfolgt in der Abgasturbine auch eine unerwünschte Temperaturerhöhung der Luft.
Unerwünscht ist die hohe Temperatur vor allem deshalb, weil sie das Temperaturniveau des Arbeitsprozesses erhöht, und damit dessen thermische Belastung. Zum anderen aber, weil die hohe Temperatur in den Motor einbringende Luftmasse, wegen der geringeren Dichte, reduziert.
[0004] Durch den Einsatz eines Ladeluftkühlers, im Nachfolgenden Zwischenkühler genannt, werden zwei wichtige Funktionen erfüllt:
Erhöhung der Luftdichte bei gleichem Ladedruck und
Absenkung der Lufttemperatur.
[0005] Die Leistungssteigerung des Motors ist in erster Linie proportional dem Luftgewicht, also der Dichtesteigerung. Es lässt sich ungefähr rechnen, dass eine Absenkung der Temperatur um 10 deg.
Grad eine Dichtesteigerung von 3% Prozent ergibt, dies erhöht die Leistung etwa um den gleichen Prozentsatz.
[0006] Man kann entweder die Ladeluftkühlung zur Erhöhung der Leistung heranziehen oder als Mittel zur Erhöhung des Motorwirkungsgrades durch höhere Verdichtung.
[0007] Für die Wirksamkeit einer Ladeluftkühlung kommt folgende Formel zur Anwendung.
<EMI ID=2.0>
wobei die Ladeluft-Temperaturdifferenz der Unterschied ist zwischen Kühlereintritt und -austritt, und die Eintritts-Temperaturdifferenz der Unterschied ist zwischen:
Ladelufttemperatur beim Kühlereintritt und der Umgebungstemperatur.
[0008] In der Praxis ist es unter normalen Bedingungen nicht möglich, die Ladelufttemperatur auf Umgebungstemperatur abzusenken, was einer thermischen Wirksamkeit von 1 respektive 100% ergäbe.
[0009] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ansaugsystem für einen aufgeladenen Verbrennungsmotor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung zu schaffen, welcher in der Lage ist, die Abkühlung der Ladeluft nahe an die Umgebungstemperatur oder unter die Umgebungstemperatur zu bewirken, was einen besseren Wirkungsgrad des aufgeladenen Verbrennungsmotors ergibt, was den Verbrauch senkt und auch die thermische Belastung des Verbrennungsmotors mildert.
[0010] Erfindungsgemäss ist vorgesehen, einen hohen Druck und dadurch auch eine höhere Temperatur im Zwischenkühler zu erreichen,
indem der Zwischenkühler nahe dem Ausgang eine Verengung aufweist, dadurch wird die Luft komprimiert und erhitzt sich. Die höhere Temperaturdifferenz zwischen der zusammengepressten Luft und der Umgebungsluft lässt die Ladeluft besser abkühlen, da eine grosse Temperaturdifferenz eine schnellere Abkühlung bewirkt. Nach der Verengung im Zwischenkühler weist die vorliegende Erfindung einen Diffusor auf, welcher die komprimierte Luft entspannt, und durch die Ausdehnung der Gase gibt es einen Kühleffekt. Da im Zwischenkühler aber schon ein grosser Teil der Wärme in die Umgebung abgeführt wurde, ergibt sich gegenüber einem herkömmlichen aufgeladenen Verbrennungsmotor eine stärkere Abkühlung. Es kommt das physikalische Gesetz zur Anwendung, dass komprimierte Gase sich erhitzen und sich ausdehnende Gase abkühlen.
Die erfindungsgemässe Ausführung nimmt sich dieses physikalischen Gesetzes an, wobei zuerst komprimiert wird, dann gekühlt wird und anschliessend dekomprimiert oder ausgedehnt wird.
[0011] Bevor jedoch im Zwischenkühler ein höherer Druck entstehen kann, wird bei niedrigen Touren des Verbrennungsmotors der Zwischenkühler durch eine Bypass-Leitung umgangen. Erst wenn genügend Druck aufgebaut wurde, schliesst sich das Ventil in der Bypass-Leitung und die Luft strömt in den Zwischenkühler und wird komprimiert.
[0012] Die Erfindung hat einen weiteren Vorteil: da im unteren Lastbereich die angesaugte Luft nicht durch den Zwischenkühler muss, wird der benötigte Ladedruck schneller aufgebaut und dadurch das Ansprechverhalten des aufgeladenen Verbrennungsmotors verbessert.
Es gab schon Erfindungen, welche den Zwischenkühler eines Verbrennungsmotors bei tiefen Umdrehungszahlen des Motors umströmen konnten um das Ansprechverhalten der Abgasturbine zu verbessern, wie z.B. die Erfindung JP 62 046 194.
[0013] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu erhöhen mittels Abkühlung der Ladelufttemperatur. Dies ist aber nur möglich, wenn beim Ansaugen der Luft der Zwischenkühler mit der Verengung und der Diffusor umströmt werden, weil sonst der Ladedruck erst gar nicht aufgebaut werden kann, da die Verengung wie eine Drosselklappe wirkt.
Damit braucht die Erfindung die Umströmung des Zwischenkühlers mit der integrierten Verengung um einen minimalen Ladedruck zu erzeugen, der dann stetig erhöht werden kann.
[0014] Die Aufgabe der Erfindung ist einen Verbrennungsmotor zu konstruieren, welcher den Vorteil aufweist, die Ladeluft stärker abzukühlen und das Ansprechverhalten zu verbesseren, da der Zwischenkühler bei tiefen Umdrehungen des Verbrennungsmotors nicht durchströmt wird. Die Verbesserung des Ansprechverhaltens der Abgasturbine ist nicht Zweck der Erfindung, sondern ist eine willkommene, zusätzliche Nebenerscheinung der Erfindung.
[0015] In den Zeichnungen ist ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>Übersicht über ein Ansaugsystem mit offener Bypassleitung (11), Zwischenkühler (4), Verengung (5) und Diffusor (6)
<tb>Fig. 2<sep>Übersicht über ein Ansaugsystem mit geschlossener Bypassleitung (11), Zwischenkühler (4), Verengung (5) und Diffusor (6)
<tb>Fig. 3<sep>Zwischenkühler (4) mit Verengung (5) und Diffusor (6) und Bypassleitung (11) mit Druckkapsel (2) und Klappe (3).
<tb>Fig. 4<sep>Bypassleitung (11) mit Klappe (3) geschlossen und Feder (10) gespannt
<tb>Fig. 5<sep> Bypassleitung (11) mit Klappe (3) offen und Feder (10) entspannt.
[0016] Anhand der folgenden schematischen Beschreibung wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Fig.1 und Fig. 2 erläutert:
[0017] Der Verbrennungsmotor (7) beginnt mit Ansaugen der Luft, und sobald der Verbrennungsmotor eine gewisse Drehzahl erreicht hat, beginnt der Abgasturbolader (1) frische Luft zu verdichten. Da die verdichtete Luft noch keinen grossen Druck aufweist, bleibt die Klappe (3) in der Bypass-Druckkammer (2) offen und die Luft strömt durch die Bypassleitung (11) direkt in die Ansaugvorrichtung (8) des Verbrennungsmotors (7). Die verbrannten Gase verlassen via Kollektor (9) den Verbrennungsmotor (7) und treiben die Abgasturbine (1) weiter an, dadurch baut sich der Druck rasch bis zur gewünschten Höhe auf.
Sobald der Ladedruck eine gewisse Höhe erreicht hat, schliesst sich via der Druckkammer (2) die Klappe (3) und dadurch strömt nun die verdichtete Luft durch den Zwischenkühler (4). Beim Ausgang des Zwischenkühlers (4) befindet sich eine Verengung (5), die die Luft daran hindert, ungestört weiterzuströmen, dadurch erhöht sich der Druck weiter und auch die Temperatur im Zwischenkühler (4) beginnt zu steigen. Da der Zwischenkühler (4) aber von aussen gekühlt wird, was ja der eigentliche Zweck des Zwischenkühlers (4) ist, wird kontinuierlich Wärme abgeführt. Der Druck im Zwischenkühler steigt weiter und dadurch würde auch die Temperatur steigen, jedoch verhindert durch die Aussenkühlung des Zwischenkühlers (4) eine zu starke Zunahme der Temperatur, da die Wärme auch stetig abgeführt wird.
Sobald die Luft die Verengung (5) passiert hat, wird die Luft im Diffusor (6) entspannt. Durch die Druckabnahme im Diffusor (6) kühlt sich die aufgeladene Luft ab und strömt nun bei tieferer Temperatur via Ansaugvorrichtung (8) in den Verbrennungsmotor (7). Da zu diesem Zeitpunkt die Luft durch die Kühlung eine höhere Dichte aufweist, wird im Verbrennungsmotor (7) ein höherer Wirkungsgrad erzielt. Die verbrannten Gase verlassen via Kollektor (9) den Verbrennungsmotor (7) und treiben die Abgasturbine (1) weiter an.
Sobald vom Verbrennungsmotor keine Leistung mehr verlangt wird, fällt der Druck zuerst im Kollektor (9) und dann im Ansaugbereich zusammen und die Klappe (3) öffnet sich wieder und die Luft strömt bei erneutem Bedarf durch die Bypassleitung (11) direkt in die Ansaugvorrichtung (8) des Verbrennungsmotors (7).
[0018] Bei bestehenden geregelten Verbrennungsmotoren wird der Ladedruck via Waste-Gate geregelt. Damit der erfindungsgemässe Verbrennungsmotor gegenüber einem herkömmlichen Verbrennungsmotor einen Vorteil aufweist, muss man bei baugleicher Art des Verbrennungsmotors den Ladedruck erhöhen.
[0019] Durch die Erhöhung des Ladedrucks wird die Kühlleistung im Diffusor verbessert, und Zweck der Erfindung ist es, in den Verbrennungsmotor eine höhere Dichte der Luft einzubringen.
Dies ist aber nur möglich, wenn die Luft nach der Verdichtung im Abgasturbolader gekühlt wird und eine höhere Dichte aufweist.