DE102007014447B4

DE102007014447B4 - Aufgeladener Ottomotor mit variabler Sauganlage

Info

Publication number: DE102007014447B4
Application number: DE102007014447.6A
Authority: DE
Inventors: Norbert Hemmerlein; Dr. Theilemann Ludwig
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2027-03-28
Also published as: DE102007014447A1

Abstract

Aufgeladener Ottomotor mit einem Verdichter (1), einem Ladeluftkühler (2) und einer mit Zylindern (5) der Brennkraftmaschine verbundenen Sauganlage (4) für Luft, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauganlage (4) als variable Schwingrohrsauganlage und/oder variable Resonanzsauganlage derart ausgebildet ist, dass Resonanzen in der Sauganlage (4) minimiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen aufgeladenen Ottomotor, mit einem Verdichter, einem Ladeluftkühler und einer mit Zylindern der Brennkraftmaschine verbundenen Sauganlage für Luft.
Solche aufgeladenen Ottomotoren sind aus der Praxis vielfältig bekannt. Bei diesen ist der Verdichter insbesondere als Kompressor oder Turbolader ausgebildet.
Bei Saugmotoren, somit solchen Motoren, die keinen Verdichter aufweisen, ist es bekannt, eine Schwingrohr- oder Resonanzaufladung oder eine Kombination dieser beiden Aufladungen vorzusehen.
Bei der Schwingrohraufladung wird der Aufladeeffekt von Druckwellen genutzt, die beim Saugmotor in den Ansaugrohren vom Ansaugverteiler zum offenen Rohrende zu den einzelnen Zylindern laufen. Durch die Saugwirkung des abwärtsgehenden Kolbens läuft nach dem Öffnen des Einlassventils eine Unterdruckwelle in das Saugrohr hinein, die am offenen Rohrende reflektiert wird und als Überdruckwelle zurückläuft. Durch die richtige Abstimmung der Rohrlänge wird erreicht, dass bei einer gewünschten Motordrehzahl die Überdruckwelle genau dann das Ventil erreicht, wenn die Saugwirkung des Kolbens nachlässt und somit einen Aufladeeffekt bewirkt. Man nutzt also die kinetische Energie der Luftsäule aus, die ein Zurückdrücken durch den bereits in Aufwärtsbewegung befindlichen Kolben kurze Zeit verhindert und die Ladung leicht verdichtet. Durch schaltbare bzw. stufenlos variable Systeme, welche abhängig von der Drehzahl verschiedene Saugrohrlängen ermöglichen, kann dieser Aufladeeffekt über einen größeren Drehzahlbereich genutzt werden. - Eine Luftsauganlage mit Schwingrohraufladung ist beispielsweise in der DE 198 41 810 A1 beschrieben.
Bei einem Saugmotor mit Resonanzaufladung ist die Sauganlage so ausgebildet, dass ein schwingfähiges Behälter-Rohr-System ansaugseitig an mehrere Zylinder angeschlossen und geometrisch so ausgelegt wird, dass bei einer gewünschten Motordrehzahl die periodisch öffnenden Steuerquerschnitte das Gaswechselsystem zur Resonanz anregen. Dies hat zur Folge, dass Druck- und Volumenstromamplituden verstärkt werden und dadurch alle angeschlossenen Zylinder einen Aufladeeffekt erfahren. Auch hier kann durch schaltbare bzw. stufenlos variable Systeme ein Aufladeeffekt für einen größeren Drehzahlbereich realisiert werden. - Eine Sauganlage mit Resonanzaufladung ist beispielsweise in der DE 10 2004 015 339 A1 beschrieben.
Eine Sauganlage mit Schwingrohr- und Resonanzaufladung ist beispielsweise in der DE 199 03 123 A1 erläutert.
In der DE 43 32 616 C2 ist eine Brennkraftmaschine mit einem mechanischen Lader, einem Ladeluftkühler und einer Resonanzsauganlage, bekannt. Die Resonanzsauganlage ist dahingehend ausgestaltet, dass sie mittels Resonanzen Verbrennungsluft im Ansaugtrakt zusätzlich zum mechanischen Lader bei niedrigen Motordrehzahlen verdichtet.
Die DE 33 14 911 C2 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einer Kombination aus Abgasturbolader und Schwingrohrlader sowie mit einem Kompressorrohr, welches an einem C-förmigen Bogen angeschlossen ist und an dem Bogen eine mittels eines Ventils verschließbare Verbindungsleitung angeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen aufgeladenen Ottomotor der eingangs genannten Art mit minimalen Nachladeeffekten infolge Resonanzen in der Sauganlage im geregelten Aufladebereich zu schaffen.
Die Erfindung schlägt einen aufgeladenen Ottomotor mit einem Verdichter, einem Ladeluftkühler und einer mit Zylindern der Brennkraftmaschine verbundenen Sauganlage für Luft vor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sauganlage als variable Schwingrohrsauganlage und/oder variable Resonanzsauganlage ausgebildet ist.
Beim aufgeladenen Ottomotor wirken sich im Gegensatz zum Saugmotor zusätzliche Aufladeeffekte auf Grund von Luftschwingungen des Saugsystems auf den Motorbetrieb negativ aus. Durch diese Aufladeeffekte in der Sauganlage erhöht sich die Temperatur der Verbrennungsluft wie bei jeder Form der Aufladung, allerdings erfolgt hierbei im Gegensatz zur eigentlichen Aufladung durch einen Verdichter, insbesondere einen Kompressor oder Turbolader, keine Abkühlung durch einen Ladeluftkühler. Die Folge solcher Sauganlagenresonanzen beim aufgeladenen Ottomotor sind erhöhte Neigung zu klopfender Verbrennung, was zu deutlicher Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs und/oder des Drehmoments führt.
Bei der Auslegung der einzelnen Rohrlängen und Volumina eines erfindungsgemäßen Saugsystems für aufgeladene Motoren ist also in genauer Umkehrung zum Saugmotor darauf zu achten, solche Resonanzeffekte zu vermeiden, d. h. einen möglichst geringen Luftaufwand bei nichtsdestotrotz geringen Strömungsverlusten zu erreichen. Mit der erfindungsgemäßen Sauganlage werden demnach Nachladeeffekte infolge Resonanzen in der Sauganlage minimiert bzw. verhindert.
Die Erfindung schlägt somit einen aufgeladenen Ottomotor vor, mit einer Sauganlage mit Variabilitäten, wie sie im Prinzip von Saugmotoren bekannt sind, z. B. schaltbare bzw. stufenlos variable Saugrohrlängen bzw. Resonanzrohrlängen bzw. schaltbare Volumina. Im Gegensatz zur Anwendung an Saugmotoren sollen aber auf Grund der variablen Ausbildung der Sauganlage gezielt Resonanzen in der Sauganlage minimiert werden, um dadurch den Kraftstoffverbrauch und/oder das Drehmoment über einen weiten Drehzahlbereich des Motors zu verbessern. Es ist insbesondere vorgesehen, die Sauganlage derart auszulegen, dass über den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine, vorteilhaft im mittleren und hohen Drehzahlbereich, insbesondere im hohen Drehzahlbereich, Volllastresonanzeffekte in der Sauganlage minimiert werden. Die Art und Weise der Minimierung oder sogar Eliminierung der Resonanzen im Saugsystem erfolgt durch Abstimmung bekannter variabler Schwingrohr- bzw. Resonanzsauganlagen unter dem Aspekt, diese nicht, wie beim Saugmotor, bezüglich zusätzlicher Aufladeeffekte zu optimieren, sondern stattdessen eine Optimierung bezüglich der Minimierung zusätzlicher Aufladeeffekte zu erreichen.
Der Verdichter ist beispielsweise als Kompressor oder Turbolader ausgebildet. Der Turbolader wird hierbei in ungeregelten und geregelten Bereichen betrieben. Bei Ausbildung des Verdichters als Turbolader wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Sauganlage derart ausgelegt ist, dass im geregelten Volllastbereich Resonanzen in der Sauganlage minimiert werden.
Bei Ausbildung der Sauganlage als Schwingrohrsauganlage weist diese insbesondere Saugrohre mit schaltbaren oder stufenlos variablen Saugrohrlängen auf.
Bei Ausbildung der Sauganlage als Resonanzsauganlage weist diese vorzugsweise Resonanzrohre mit schaltbaren oder stufenlos variablen Resonanzrohrlängen auf und/oder es weist die Resonanzanlage schaltbare Volumina auf.
Die Auslegung der Schwingrohr- bzw. Resonanzsauganlagen erfolgt durch Abstimmung der Längen und Durchmesser von zum jeweiligen Zylinder führendem Saugrohr und/oder von Schwingrohr und/oder Resonanzrohr. Das Verhältnis von der Länge des jeweiligen Saugrohrs zur Länge des jeweiligen Resonanzrohrs beträgt beispielsweise 0,3 bis 0,7, vorzugsweise 0,4 bis 0,6, insbesondere 0,5. Weist die Resonanzanlage mehrere Resonanzrohre auf, ist sie beispielsweise zweistufig ausgebildet, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das eine Resonanzrohr derart ausgebildet ist, dass das Verhältnis von Durchmesser dieses Resonanzrohrs zur Länge dieses Resonanzrohrs 0,05 bis 0,20, vorzugsweise 0,10 bis 0,125, insbesondere 0,114 beträgt. Das andere Resonanzrohr ist beispielsweise derart ausgebildet, dass das Verhältnis von Durchmesser dieses Resonanzrohrs zur Länge dieses Resonanzrohrs 0,05 bis 0,10, vorzugsweise 0,07 bis 0,09, insbesondere 0,08 beträgt.
Bevorzugt handelt es sich bei dem aufgeladenen Ottomotor gemäß der vorliegenden Erfindung um einen Boxermotor, insbesondere einen 6-Zylinder- Boxermotor.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung der Zeichnung und der Zeichnung selbst, ohne hierauf beschränkt zu sein.
In der Zeichnung sind zwei bevorzugte, grundsätzliche Ausführungsbeispiele der Erfindung stark schematisch verdeutlicht. Es stellt dar:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines aufgeladenen Ottomotors mit Schwingrohrsauganlage,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines aufgeladenen Ottomotors mit Resonanzsauganlage,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines aufgeladenen Ottomotors mit zweistufiger Resonanzsauganlage.

Für den in 1 veranschaulichten aufgeladenen Ottomotor mit Schwingrohrsauganlage sind der Verdichter 1, bei dem es sich insbesondere um einen Turbolader oder einen Kompressor handelt, der Ladeluftkühler 2, die Drosselklappe 3, die Sauganlage 4 sowie sechs Zylinder 5 des Reihenmotors veranschaulicht. Die Luft strömt in die Sauganlage 4, und zwar zunächst in einen Ansaugverteiler 6 und von diesem zu Schwingrohren 7, die zu den einzelnen Zylindern 5 führen.
Die 1 veranschaulicht den Aufbau des aufgeladenen Motors mit der Schwingrohrsauganlage nur schematisch. So sind vielfältige Variationen der Schwingrohrsauganlage denkbar, insbesondere Schwingrohre mit schaltbaren oder stufenlos variablen Schwingrohrlängen. Die Schwingrohrsauganlage ist derart ausgelegt, dass Resonanzen in der Sauganlage minimiert werden.
Die Ausführungsform nach der 2 unterscheidet sich von derjenigen nach der 1 nur bezüglich der Ausgestaltung der Sauganlage 4, die als Resonanzsauganlage ausgebildet ist. Die Luft strömt in die Sauganlage 4, und zwar zunächst in einen Ausgleichsbehälter 8 und von dort über zwei Resonanzrohre 9 in einen dem jeweiligen Resonanzrohr zugeordneten Resonanzbehälter 10 und vom jeweiligen Resonanzbehälter 10 über drei mit diesem verbundene Saugrohre 11 zum jeweiligen Zylinder 5.
Die 2 veranschaulicht den Aufbau des aufgeladenen Motors mit der Resonanzsauganlage nur schematisch. So sind vielfältige Variationen der Resonanzsauganlage denkbar, insbesondere Resonanzrohre mit schaltbaren oder stufenlos variablen Resonanzrohrlängen und/oder schaltbaren Volumina. Die Resonanzsauganlage ist derart ausgelegt, dass Resonanzen in der Sauganlage minimiert werden.
Die 3 veranschaulicht schematisch eine zweistufige Resonanzsauganlage für einen aufgeladenen 6-Zylinder-Motor, der als Boxermotor ausgebildet ist. Die Bauteile dieser Ausführungsform, die denjenigen der Ausführungsform nach der 2 entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. - Veranschaulicht sind die beiden Resonanzrohre 9 und 9a, wobei das Resonanzrohr 9 mittels zweier Schaltklappen 12 schaltbar ist, die im Bereich der beiden Enden des Resonanzrohrs 9a angeordnet sind.
Bei dieser Ausführungsform hat das Resonanzrohr 9 eine Länge zwischen 400 mm und 500 mm, vorzugsweise 440 mm und einen Durchmesser zwischen 40 mm und 60 mm, vorzugsweise 50 mm, das Resonanzrohr 9a eine Länge zwischen 400 mm und 500 mm, vorzugsweise 440 mm und einen Durchmesser zwischen 30 mm und 40 mm, vorzugsweise 35 mm. Das jeweilige Saugrohr 11 ist zwischen 200 mm und 240 mm, vorzugsweise 220 mm lang. Bei dieser konkreten Auslegung ergibt sich ein Verhältnis von Länge des Saugrohrs 11 zur Länge des Resonanzrohrs 9 bzw. 9a von 0,5, ein Verhältnis des Durchmessers des Resonanzrohrs 9 zur Länge dieses Resonanzrohrs von 0,114 und ein Verhältnis von Länge des Resonanzrohrs 9a zur Länge dieses Resonanzrohrs von 0,08.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Ladeluftkühler
3: Drosselklappe
4: Sauganlage
5: Zylinder
6: Ansaugverteiler
7: Schwingrohr
8: Ausgleichsbehälter
9, 9a: Resonanzrohr
10: Resonanzbehälter
11: Saugrohr
12: Schaltklappe

Claims

Aufgeladener Ottomotor mit einem Verdichter (1), einem Ladeluftkühler (2) und einer mit Zylindern (5) der Brennkraftmaschine verbundenen Sauganlage (4) für Luft, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauganlage (4) als variable Schwingrohrsauganlage und/oder variable Resonanzsauganlage derart ausgebildet ist, dass Resonanzen in der Sauganlage (4) minimiert werden.
Ottomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauganlage (4) derart ausgelegt ist, dass über den gesamten Drehzahlbereich des Ottomotors, vorteilhaft im mittleren und hohen Drehzahlbereich, insbesondere im hohen Drehzahlbereich, bei Volllast Resonanzen in der Sauganlage (4) minimiert werden.
Ottomotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1) als Kompressor oder Turbolader ausgebildet ist.
Ottomotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Verdichters (1) als Turbolader die Sauganlage (4) derart ausgelegt ist, dass im geregelten Volllastbereich Resonanzen in der Sauganlage (4) minimiert werden.
Ottomotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingrohrsauganlage (4) Schwingrohre (7) mit schaltbaren oder stufenlos variablen Schwingrohrlängen aufweist.
Ottomotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzsauganlage (4) Resonanzrohre (9, 9a) mit schaltbaren oder stufenlos variablen Resonanzrohrlängen aufweist und/oder die Resonanzanlage schaltbare Resonanzbehälter (10) aufweist.
Ottomotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauganlage (4) ein zum jeweiligen Zylinder (5) führendes Saugrohr (11) aufweist, wobei das Verhältnis von Länge des jeweiligen Saugrohrs zur Länge des jeweiligen Resonanzrohrs (9, 9a) der Resonanzsauganlage 0,3 bis 0,7 oder 0,4 bis 0,6, vorzugsweise 0,5 beträgt.
Ottomotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzsauganlage zwei Resonanzrohre (9, 9a) aufweist.
Ottomotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Resonanzrohr (9) derart ausgebildet ist, dass das Verhältnis von Durchmesser dieses Resonanzrohrs zur Länge dieses Resonanzrohrs 0,05 bis 0,20 oder 0,10 bis 0,125, vorzugsweise 0,114 beträgt.
Ottomotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein, insbesondere das andere Resonanzrohr (9a) derart ausgebildet ist, dass das Verhältnis von Durchmesser dieses Resonanzrohrs zur Länge dieses Resonanzrohrs 0,05 bis 0,10 oder 0,07 bis 0,09, vorzugsweise 0,08 beträgt.
Ottomotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ottomotor ein Boxermotor, insbesondere ein 6-Zylinder-Boxermotor ist.