DE102013111620A1

DE102013111620A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013111620A1
Application number: DE201310111620
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Zücker
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2033-10-23
Also published as: DE102013111620B4

Abstract

Die Erfindung betrifft die Brennkraftmaschine mit mehreren Kolben-/Zylinder-Einheiten (KZ 1 bis KZ 6), einer Luftsauganlage (1), mindestens einem Verdichter (2) zur Förderung und Verdichtung von Verbrennungsluft, mit in den Kolben-/Zylinder-Einheiten (KZ 1 bis KZ 6) angeordneten, zwischen Kolben und Zylinderkopf begrenzten Brennräumen, wobei die Luftsauganlage (1) mindestens ein Verteiler-/Sammelrohr (8, 9), mindestens einen mit den Kolben-/Zylinder-Einheiten (KZ 1 bis KZ 6) in Verbindung stehenden, zwischen den Verteiler- /Sammelrohren (8, 9) und den Saugrohren (12.1 bis 12.6) positionierten Ansaugkrümmer (10, 11) aufweist, wobei die Verbrennungsluft der Luftsauganlage (1) über Luftführungsrohre (1.1; 1.2) gefördert wird, wobei die Verbrennungsluft nach dem Austritt aus dem Verdichter (2) expandiert wird, und wobei die verdichtete Verbrennungsluft einem in die Luftsauganlage (1) integrierten Speicher (5) zugeführt wird, in dem mindestens ein mit dem Sammelrohr (8, 9) verbundener Einströmkanal (6, 7) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mehreren Kolben-/Zylinder-Einheiten, einer Luftsauganlage, mindestens einem Verdichter zur Förderung und Verdichtung der Verbrennungsluft, mit in den Kolben-/Zylinder-Einheiten angeordneten, zwischen Kolben und Zylinderkopf begrenzten Brennräumen, wobei die Luftsauganlage mindestens ein Verteilerrohr, mindestens ein Saugrohr und mindestens einen mit den Kolben-/Zylinder- Einheiten in Verbindung stehenden, zwischen dem Verteilerrohr und dem Saugrohr positionierten Ansaugkrümmer umfasst, wobei die Verbrennungsluft zur Luftsauganlage über einen Luftführungskanal gefördert wird, der in das Verteilerrohr mündet, und wobei der Ladedruck der Verbrennungsluft nach dem Austritt aus dem Verdichter bis zum Eintritt in den Brennraum der Brennkraftmaschine durch Expansion verringert wird.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen Maßnahmen vorzusehen, mittels derer die in Folge der Verdichtung im Lader sich ergebende Anhebung der Temperatur der Verbrennungsluft vor deren Zuführung in den Verbrennungstrakt wieder abgekühlt werden kann. Das kann einerseits über einen Ladeluftkühler, der in die Luftsauganlage integriert ist, geschehen; andererseits kann durch entsprechende Bemessung der Luftsauganlage und/oder die Integration von Ventilen o. ä. eine Abkühlung erzielt werden.
Aus dem Stand der Technik ist es auch bekannt, dem Verdichter/Lader ein Regelsystem nachzuschalten, über das die Zuführung von Verbrennungsluft zu den Brennräumen der Brennkraftmaschine je nach Leistungsanforderung erfolgen kann. Auch dazu können Ventilkonstruktionen u. ä. Anwendung finden. Aus der DE 689 14 746 T2 und der DE 103 20 056 A1 ist es darüber hinaus bekannt, in die Luftsauganlage einen Drucksammler bzw. Druckspeicher zu integrieren, in dem vom Lader/Verdichter verdichtete Luft für den Fall gespeichert werden kann, dass z. B. beim Anfahren und/oder beim Beschleunigen schlagartig oder dosiert höhere Leistungen abgefordert werden. Damit kann z. B. das sog. Turboloch vollständig, weitgehend vermieden bzw. zumindest minimiert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Luftansaugung bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine noch weiter zu optimieren. Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einem Stand der Technik aus, wie er z. B. in der DE 10 2007052 310 A1 im Detail gezeigt und beschrieben ist. Die Erfindung ergänzt und erweitert diese Lösung dadurch, dass bei einer eingangs beschriebenen Brennkraftmaschine die verdichtete Verbrennungsluft einem in die Luftsauganlage integrierten Speicher zugeführt wird, in den mindestens ein mit dem Verteiler-/Sammelrohr im Ansaugkrümmer verbundener Einströmkanal angeordnet ist. Es ist zweckmäßig jedem zu einem Ansaugkrümmer führenden Verteiler-/Sammelrohr einen Einströmkanal zuzuordnen. Besonders zweckmäßig ist es, wenn der bzw. die Einströmkanäle in ihrem Einströmbereich mit aufgeweiteten Einström-Öffnungen, z. B. in Trichter- bzw. Tulpen-Form innerhalb des Speichers angeordnet sind. Um den vollen Effekt dieser erfinderischen Lösung erreichen zu können, ist es besonders zweckmäßig, die aufgeweiteten Einström-Öffnungen der Einströmkanäle im Wesentlichen axial aufeinander mit definiertem Abstand zueinander auszurichten.
Zur Regelung von Druck und Menge der den Brennräumen zugeführten Verbrennungsluft können zweckmäßiger Weise für alle Kolben-/Zylinder-Einheiten eine zentral angeordnete, regelbare Drosselklappe im Ansaugkrümmer angeordnet sein. Denkbar ist auch, dass die Zuführung der Verbrennungsluft mittels jeder einzelnen Kolben-/Zylinder-Einheit zugeordneten, und aktivierbaren (z.B. mechanisch, elektrisch, hydraulisch) Einlassventilen ind der Kolben-/Zylinder-Einheit oder mit im Zylinder-Ansaugbereich angeordneten Drosselklappen regelbar ist.
Und alternativ ist es auch denkbar, dass über die Anordnung einer zentralen Drosselklappe im Luftzufuhrrohr zum Speicher eine Regelung erfolgt.
Einzelheiten und Merkmale der erfinderischen Lösung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung anhand von in der Zeichnung vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit sechs Kolben-/Zylinder-Einheiten, z. B. angeordnet in V- bzw. Boxer-Form;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit 6 Zylindern nach der Erfindung mit gegenüber dem Beispiel in 1 geänderten Regelsystem für die Zuführung der Verbrennungsluft in die Kolben-/Zylinder- Einheiten;
3 ein weiteres, abgewandeltes Ausführungsbeispiel für eine aufgeladene sechs- zylindrigen Brennkraftmaschine und
4 ein viertes, abgewandeltes Beispiel einer sechs zylindrigen, aufgeladenen Brennkraftmaschine nach dem Gegenstand der Erfindung.
Die schematisch dargestellte Brennkraftmaschine umfasst nach 1 sechs Kolben- Zylinder-Einheiten KZ 1 bis KZ 6. Die Kolben-/Zylinder-Einheiten KZ 1 bis KZ 6 werden über eine Luftsauganlage 1 mit Verbrennungsluft versorgt. Zur Leistungssteigerung wird diese Verbrennungsluft aufgeladen, was z. B. über einen Verdichter 2 erfolgen kann, der Bestandteil eines Abgasturboladers, eines mechanischen oder auch eines elektrischen Kompressors sein kann. Diesem Verdichter 2 wird über eine Zuleitung 3 Frischluft bzw. Verbrennungsluft zugeführt. Für die verdichtete und in Folge des Verdichtungsprozesses erwärmte Verbrennungsluft wird über ein Rohr 1.1 der Luftsauganlage 1 einem Ladeluftkühler 4 zur Abkühlung zugeführt. Über das Rohrstück 1.2 wird die im Ladeluftkühler 4 abgekühlte Verbrennungsluft dem in die Luftsauganlage 1 integrierten Speicher 5 zugeführt. Der Speicher 5 ist zur Zuführung der Verbrennungsluft zu den Kolben-/Zylinder-Einheiten KZ 1 bis KZ 6 mit Einströmkanälen 6 bzw. 7 ausgestattet. Diese Einströmkanäle 6 und 7 versorgen die Verteiler-/Sammelrohre 8 bzw. 9 der Ansaugkrümmer 10 bzw. 11 mit Verbrennungsluft; über die Saugrohre 12.1 bis 12.6 wird danach die Verbrennungsluft den einzelnen Kolben-/Zylinder-Einheiten KZ 1 bis KZ 6 zugeleitet.
Die Regelung der Verbrennungsluftzufuhr erfolgt durch Drosselklappen 13.1 bis 13.6., die jeweils in den Saugrohren 12.1 bis 12.6 angeordnet sind.
Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau einer solchen Luftsauganlage bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen wird die Verbrennungsluft nicht direkt über das Rohrsystem der Luftsauganlage 1 in die Saugrohre (12.1. bis 12.6) eingespeist, sondern zunächst einem Sammelbehälter 5 zugeführt und von dort über die Einströmkanäle 6 bzw. 7 in die Verteiler-/Sammelrohre 8 bzw. 9 der Ansaugkrümmer 10 bzw. 11 eingespeist. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Einströmkanäle 6 bzw. 7 mit ihren Einströmöffnungen axial einander mit geringem definierten Abstand gegenüberstehend angeordnet sind. Dabei ist es besonders vorteilhaft, die Einströmöffnungen der Einströmkanäle 6 bzw. 7 mit Aufweitungen 14 bzw. 15 zu versehen. Diese Aufweitungen können wie vereinfacht dargestellt in etwa trichterförmig gestaltet sein. Ebenso denkbar ist eine tulpenförmige Aufweitung. Die in Folge des Ladedrucks im System zwischen den Verteiler-/Sammelrohren 8 bzw. 9 hin- und herlaufenden Druckwellen werden über die Einströmkanäle 6 und 7 und insbesondere durch deren aufgeweitete Einströmöffnung 14 bzw. 15 verstärkt; sie verbessern somit die Zuführung von Verbrennungsluft zu den Kolben-/Zylinder-Einheiten KZ.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine mit Hochleistunganforderung wird diese bei geöffneten Drosselklappen und dem Verdichter 2 im Normalbetrieb betrieben. Die Integration des relativ voluminösen Speichers 5 in die Luftsauganlage 1 ändert das stationäre Verhalten der Brennkraftmaschine nicht. Die spezifisch für die Brennkraftmaschine ausgelegte Luftsauganlage 1 mit dem integrierten Speicher 5 führt dazu, dass über den Expansionseffekt und die Druckwellenverstärkung Verbrennungsvorteile in den Brennräumen entstehen und der Verbrauch gesenkt werden kann.
Während des Schubbetriebs (geschlossene Drosselklappen 13.1 bis 13.6) wird über die Brennkraftmaschine normalerweise keine Energie auf den Verdichter 2 gegeben. Beim Gegenstand der Erfindung – wie hier im Ausführungsbeispiel beschrieben – kann jedoch auch während des Betriebs im Schub Energie auf den Verdichter 2 gegeben werden, so dass dieser weiterhin Luft über die Zuleitung 3 und über den Ladeluftkühler 4 in den Speicher 5 liefert. Da die Drosselklappen 13.1 bis 13.6 geschlossen sind, wird im Speicher 5 komprimierte Verbrennungsluft gespeichert, die im Falle höherer Leistungsanforderung (z. B. zur Beschleunigung) zum sofortigen Abruf bereitsteht.
Damit kann das dynamische Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine wesentlich verbessert werden, da im Falle von erhöhtem Leistungsbedarf nicht zunächst Druck über den Verdichter im gesamten Ansaugsystem aufzubauen ist.
Das Funktionsprinzip des Systems kann wie folgt vereinfacht beschrieben werden:

– im Leistungsbereich wird durch den in die Luftsauganlage 1 integrierten Speicher 5 und die verstärkten Druckwellen durch die Anordnung der aufgeweiteten Einströmkanäle 6 bzw. 7 ein verbrauchsgünstiger Betrieb sichergestellt;
– im Schubbetrieb wird das System über die Aufladung des Speichers 5 praktisch „vorgespannt“;
– im Beschleunigungsbetrieb kann die Brennkraftmaschine sofort mit verdichteter Luft betrieben werden und es kann entsprechend mehr Leistung abgerufen werden.

Die 2 zeigt im Wesentlichen einen identischen Aufbau insbesondere der Luftsauganlage 1 mit dem integrierten Verdichter 5 und den mit den aufgeweiteten Einströmöffnungen 14 bzw. 15 ausgestatteten Einströmkanälen 6 bzw. 7. Aus diesem Grund sind in 2 auch gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 1 sind beim Ausführungsbeispiel nach 2 die Kolben-/Zylinder-Einheiten mit deaktivierbaren (mechanisch, elektrisch, hydraulisch) Einlassventilen 14.1 bis 14.12 versehen. Diese Einlassventile 14.1 bis 14.12 können entweder den Ladeluftstrom zu den Kolben-/Zylinder-Einheiten KZ komplett unterbinden, z. B. im Schubbetrieb, oder durch Minimalöffnung z. B. für den Leerlauf lediglich eine geringe Ladeluftzuführung zulassen.
Bei dieser Ausführung kann zusätzlich in der Luftansauganlage 1, zweckmäßigerweise im Luftstrom nach dem Ladeluftkühler 4 eine zentrale Drosselklappe 15 angeordnet werden. Diese zentrale Drosselklappe 15 ist im Leerlauf- bzw. -Schubbetrieb (s. oben), bei denen die Luftzuführung über die Einlassventile 14 erfolgt, vollständig geöffnet. Dadurch kann über den Verdichter 2 (z. B. elektrisch angetrieben) der Speicher 5 weiterhin mit verdichteter Luft gefüllt werden. Sobald dann Last abgerufen wird, kann entweder schlagartig (bei maximaler Lastanforderung) oder auch über die einzelnen aktivbaren Einlassventile 14.1 bis 14.12 dosiert Ladeluft zugeführt werden.
Das Ausführungsbeispiel nach 3 entspricht weitgehend in Aufbau und Funktion dem vorstehend anhand von 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Anstelle der schaltbaren Einlassventile 14.1 bis 14.12 sind jedoch wie im Ausführungsbeispiel nach 1 in die Saugrohre 12.1 bis 12.6 (deshalb auch gleiche Bezugszeichen wie im Ausführungsbeispiel zu 1) integrierte Drosselklappen 16.1 bis 16.6 vorgesehen. In Ihrer Funktion entsprechen diese Drosselklappen 12.1 bis 12.6 bei wesentlich einfacherem Aufbau den aktivbaren Einlassventilen 14.1 bis 14.12 entsprechend 2.
Und wie im Ausführungsbeispiel nach 2 ist in die Luftsauganlage 1 im Abstrombereich hinter den Ladeluftkühler 4 eine zentrale Drosselklappe 17 integriert.
Die Funktion im Ausführungsbeispiel nach 2 entspricht im Wesentlichen des vorstehend anhand dem Ausführungsbeispiel nach 2 Beschriebenen.
Das Ausführungsbeispiel nach 4 entspricht in seinem konstruktiven Aufbau dem Ausführungsbeispiel nach 3. Der einzige Unterschied hier ist, dass anstelle einer hinter dem Ladeluftkühler 4 und vor dem Speicher 5 vorgesehenen zentralen Drosselklappe jeweils eine Drosselklappe 18 bzw. 19 in den Einströmkanälen 6 bzw. 7 zu den Ansaugkrümmern 10 bzw. 11 der Kolben-/Zylinder-Einheiten KZ angeordnet sind. Bei dieser Anordnung der Drosselklappen 18 bzw. 19 im Abluftbereich des Speichers 5 wird das Gesamtvolumen in der Luftsauganlage 1 zwischen Verdichter 2 und Ansaugkrümmern 10 bzw. 11 maximiert und das Volumen zwischen den Drosselklappen 18 bzw. 19 und den Kolben-/Zylinder-Einheiten kleinstmöglich gehalten. Das begünstigt einen unmittelbar schnellen Druckaufbau bei Leistungsbedarf nach dem Öffnen der Drosselklappen 18 bzw. 19.
Gegenüber den Ausführungen nach 2 und 3 wird mit dieser Lösung nach 4 ein weiter vereinfachter konstruktiver Aufbau erreicht.
Bezugszeichenliste

KZ 1 bis KZ 6: Kolben-/Zylinder-Einheit
1.1: Luftsauganlage
1.2: Rohrstück
2: Verdichter
3: Zuleitung
4: Ladeluftkühler
5: Speicher
6: Einströmkanal
7: Einströmkanal
8: Verteiler-/Sammelrohr
9: Verteiler-/Sammelrohr
10: Ansaugkrümmer
11: Ansaugkrümmer
12.1 bis 12.6: Saugrohre
13.1 bis 13.6: Drosselklappen
14: Einströmöffnung/Aufweitung
15: Einströmöffnung/Aufweitung
14.1 bis 14.12: deaktivierbare Einlassventile
15: zentrale Drosselklappe
16.1 bis 16.6: Drosselklappen
17: zentrale Drosselklappe
18: Drosselklappe
19: Drosselklappe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 68914746 T2 [0003]
DE 10320056 A1 [0003]
DE 102007052310 A1 [0004]

Claims

Brennkraftmaschine mit mehreren Kolben-/Zylinder- Einheiten (KZ 1 bis KZ 6), einer Luftsauganlage (1), mindestens einem Verdichter (2) zur Förderung und Verdichtung von Verbrennungsluft, mit in den Kolben-/Zylinder-Einheiten (KZ 1 bis KZ 6) angeordneten, zwischen Kolben und Zylinderkopf begrenzten Brennräumen, wobei die Luftsauganlage (1) mindestens ein Verteiler-/Sammelrohr (8, 9), mindestens einen mit den Kolben-/Zylinder-Einheiten (KZ 1 bis KZ 6) in Verbindung stehenden, zwischen den Verteiler-/Sammelrohren (8, 9) und den Saugrohren (12.1 bis 12.6) positionierten Ansaugkrümmer (10, 11) aufweist, wobei die Verbrennungsluft in der Luftsauganlage (1) über Luftführungsrohre (1.1.; 1.2) gefördert wird und wobei die Verbrennungsluft nach dem Austritt aus dem Verdichter (2) expandiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichtete Verbrennungsluft einem in die Luftsauganlage (1) integrierten Speicher (5) zugeführt wird, in dem mindestens ein mit dem Verteiler-/Sammelrohr (8, 9) verbundener Einströmkanal (6, 7) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem zu einem Ansaugkrümmer (10; 11) führenden Verteiler-/Sammelrohr (8; 9) ein Einströmkanal (6; 7) zugeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmkanal (6; 7) eine aufgeweitete Einströmöffnung (14; 15) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnung (14; 15) des Einströmkanals (6; 7) trichterförmig ausgeweitet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnung (14; 15) des Einströmkanals (6; 7) tulpenförmig aufgeweitet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmkanäle (6; 7) in Speicher (5) mit ihren aufgeweiteten Einströmöffnungen (14; 15) axial mit definiertem Abstand einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Verbrennungsluft mittels einer für alle Kolben-/Zylinder-Einheiten (KZ) zentral angeordneten Drosselklappe (17) in der Luftsauganlage (1) regelbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Verbrennungsluft mittels im Bereich der Einströmkanäle (6; 7) angeordneten Drosselklappen (18; 19) regelbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Verbrennungsluft mittels jeder einzelnen Kolben-/Zylinder-Einheit (KZ) zugeordneten, im Zylinder- Ansaugbereich (Saugrohre 12.1 bis 12.6) angeordneten Drosselklappen (16.1 bis 16.6) regelbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Verbrennungsluft mittels jeder einzelnen Kolben-/Zylinder-Einheit (KZ) zugeordneten aktivierbaren Einlassventilen (14.1 bis 14.12) steuerbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Luftsauganlage (1) bzw. im Sammel-/Verteiler- rohr (8, 9) steuerbare Drosselklappen (15, 17, 18, 19) zur Steuerung der Zuführung von Verbrennungsluft zu den Brennräumen der Kolben-/Zylinder-Einheiten (KZ) bzw. zur Speicherung im Speicher (5) angeordnet sind.