DE1935155C3 - Brennkraftmaschine mit Ausnutzung der Schwingungen der Frischgase in der Einlaßleitung - Google Patents

Description

seiner Nenndrehzahl, d. h. seiner Höchstbetriebsdreh-

zahl. günstig auffüllt, bei den dem Höchstdreh-

25 moment des Motors entsprechenden oder diese unter-

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit schreitenden Drehzahlen, wie dies aus der Praxis Ausnutzung der Schwingungen der Frischgase in der bekannt ist. nunmehr eine unausreichende Wirkung Einlaßleitung mittels eines auf Resonanz abgestimm- ausüben, so daß sich daraus ein unelastischer, ein ten Mehrfachsystems. geringes Drehmoment und eine ungünstige DynamiV

E^s ist bekannt, durch eine besondere Ausbildung 30 aufweisender Motor ergibt. Wird hingegen der Turbo des F.inlaß-(Saugrohr-)Systems, durch die bewußte lader so ausgelegt, daß er eben bei den letzteren. Beeinflussung der in diesem System auftretenden niedrigeren Motordrehzahlen die entsprechende Auf-Strömungserscheinungen, daß die durch die Motoren ladung bietet, so treten bei den Höchstbetriebsdreh- »ngesaugte Luft bzw. Kraftstoff-Luft-Gemischmenge zahlen des Motors übertriebene Beanspruchungen bedeutend erhöht werden knnn, wobei bei diesem 35 auf, die sowohl für den Motor als auch den Turbo-Verfahren die kinetische Energie der im System pul- lader schädlich sind und diese eventuell auch 7crlierend strömenden Luft bzw. der Kraftstoff-Luft- stören können.

Gemische zur Erhöhung der Aufladung ausgenutzt Man hat daher versucht, zwei oder mehr Turbowird (MTZ, 28 [1967], 4, S. 144 bis 151). lader hintereinanderzuschalten, wobei diese dann je-

Das Anpassen der Schwingungen im System an 40 weils für verschiedene Drehzahlbereiche ausgelegt «iie Erregung wird daoei als »Abstimmen« bezeichnet. waren, jedoch bis jetzt konnte keine tatsächlich gün-Im stärkeren Maße als vorstehend beschrieben. säge und die Forderungen der Praxis erfüllende Lölcann die durch den Motor angesaugte Luft- oder suiig gefunden werden.

Kraftstoff-Luft-Gemischmenge erhöht werden, wenn Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, in

der Motor die Luft nicht unmittelbar aus der um- 43 dem Bereich, in dem die Turboaufladung nicht aus-

[ gehenden Atmosphäre ansaugt, sondern wenn die reichend ist, die Zylinderfüllung zu verbessern.

:: Auffüllung seiner Zylinder durch eine besondere Vor- Gelöst wird diese Aufgabe bei einem auf Resonanz

richtung, den sogenannten Auflader, erfolgt. abgestimmten Mehrfachsystem erfindungsgemäß da-

Bei den Brennkraftmaschinen mit Turboaufladung durch, daß bei Anwendung der Abgasturboaufladung saugt der Kompressor des Turboladers die Luft aus 50 die Motordrehzahl, bei der Resonanz in der Einlaßder umgehenden Atmosphäre, eventuell durch einen leitung auftritt, im unteren Drehzahlbereich der

J Luftfilter, an und befördert sie dann unter einem Brennkraftmaschine liegt.

hohen Druck eventuell bereits mit dem Kraftstoff zu- Das Mehrfachsystem kann dabei aus Resonanzrohr'

{ sammen durch das Einlaß-(Saugrohr-)Sysi:em des Mo- und Resonanzbehälter bestehen.

tors und das Einlaßventil oder den Einlaßschlitz in 55 Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung

j den Zylinder des Motors. ist zwischen das Mehrfachsystem und den Turbo-

s Die Menge der im Verlaufe der Ansaugperiode lader ein Ausgleichsbehälter geschaltet.

den Zylindern des Motors zugeführten Luft oder des Bei der bei einer entsprechend der Erfindung aus-

ί Kraftsloff-Luft-Gemisches ist neben den Ahmessun- gebildeten Brennkraftmascin einigenden Aufgen und Kennwerten des Motors in erster Linie von 60 ladung ist in dem die Zylin<k · .Ks Motors mit dem den Abmessungen und der Ausbildung des Turbo- Turbolader verbindenden N.nüiulirsystem eine beil laders und der Energie der die Turbine des Turbo- deutende Luft- oder KraftM.i' I uft-Gemischmengc laders antreibenden Abgase abhängig. Aus diesem aufgespeichert. Jeder Kolben ,U- Motors beschleu-, Grunde ist ein Verbrennungsmotor mit Turboauf- nigt zu Beginn der Ansaugivi "'■ die im Saugroh rladung mit dem Tur'-^lader sorgfältig abzustimmen, 65 system befindliche Luft b/v. il,i> dort befindliche damit die dem Motor zugefuhrte und mengenmäßig Kraftstoff-Luft-Gemisch und N «irkt so eine bedeuerhöhte Luft- oder Kraftstoff-Lufl-Gemisdizufuhr tende Erhöhung der kirnt . ·νη Energie. Diese ! den Betriebsverhältnissen des Motors entspiaht. Die periodische Erhöhung der knu :> ^ hen Energie erzeugt

Schwingungen bei der im Saugrohrsystem bennd- umgebenden Atmosphäre saugt, die Eigenschwinlichen und eine ausreichend große Trägheit auf- gungszah! des strömenden Mediums zu
weisende Luft- oder Kraftstoif-Luft-Gemischmenge.

in deren Ergebnis vor dem Einlaßventil oder dem ^a „

Einlaßschlitz des eben ansaugenden Zylinders im 5 ^ ⁼ 4 L

Einlaßkanal in der zweiten Hälfte der Ansaugperiode

ein großer Überdruck aufgebaut wird. Infolge des wobei α (m/sec) die im Medium herrschende Schall-Überdruckes wird in den gegebenen Zylinder die geschwindigkeit. L(m) die Länge der Saugleitung frische Luft oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch in er- vom Zylinder bis zur umgebenden Atmosphäre behöhtem Maße eingepreßt, wodurch auch die Menge io deutet.

erheblich ansteigt. Dies hat zur Folge, daß der Auf- Versuche bestätigten, daß der Luftverbrauch (die

füllungsgrad (die Wirksamkeit der Aufladung) ohne Luftaufnahme) eines dynamisch aufgeladenen Motors eine wesentlichere Beanspruchung des Turboladers in dem Fall am höchsten liegt, wenn die Drehzahl des unter Einwirkung der schwingungsbedingten äugen- Motors und die Eigenschwingungszahl (Eigenfreblicklichen Überdrücke im Vergleich zu den bisher 15 quenz) des in der Saugleitung strömenden Mediums bekannten Motoren mit Turboaufladung um 10 bis in einem bestimmten gegenseitigen Verhältnis stehen. 30⁰O ansteigt. " Bei da\on abweichenden Drehzahlen vermindert sich

Die im Saugrohrsystem auftretenden Schwingungen die Luftaufnahme. Dies ist die Ursache dafür, daß bei erreichen im unteren Motordrehzahlbereich ihr· den in der Praxis bekannten dynamischen Aufgrößte Wirkung, und in diesem Bereich ist der An- 20 ladungsverfahren stets eine gewisse Motordrehzahl stieg der Wirksamkeit der Motorauffüllung der be- \orzufinden ist, bei der auch bei beliebiger Motordeutendste. belastung die je Zylinder angesaugte frische Auffül-

In diesem Fall verbessert sich die Wirksamkeit der lungsmenge die größte ist.

Aufladung eben in dem Drehzahlbereich sprunghaft, Auch bei den bisher bekannten Turboaufladungs-

111 dem früher der Turbolader noch weitgehend wir- 25 \ erfahren konnte die Motordrehzahl genau bestimmt kungslos war. Infolge der Erhöhung der Zylinder- werden, bei der der aufgeladene Motor die frische auffüllung steigt auch das Höchstdrehmoment des Luftmenge verbrauchte. Diese fiel — aus den be-Molors, und die zugehörige Drehzahl vermindert sich. kannten Eigenschaften des Turboladers folgend — Auch ist eine Verminderung des spezifischen Kraft- streng mit der Drehzahl der Motornennleistung zu-5!offverbrauchs, der Temperatur der Abgase und der 30 sammen.

Rauchbildung bei dem Motor feststellbar. Eine der- Ganz anders verhält sich die Lage bei dem vorartige Verbesserung der Parameter des Mo:;>rs tritt, liegenden Aufladungsverfahren. Bei einer Teillast des v.ie dies auch durch zahlreiche praktische Messungen Motors, wenn verhältnismäßig wenig Kraftstoff vernachgewiesen wurde, in der gesamten unteren Hälfte brannt wird, bleibt die Temperatur der Abgase nieddi.'s Betriebsdrehzahlbereichs des Motors ein. Unter 35 rig und auch ihr Volumemerhältnis gering. Dies hai Berücksichtigung des Unistandes, daß die erreichbare zur Folge, daß verhältnismäßig wenig Energie im Erhöhung der Wirksamkeit der Auffüllung vom Be- Turbolader verwertet wird und so dessen Turbinenttieb des Turboladers fast unabhängig is:, tritt sie l;-^; rad auch langsam umläuft. Natürlich wird auch wenig plötzlicher Beschleunigung und Drehzahländerung Luft zum Motor gefördert. Die direkte Folge dessen (.Straßenverkehr ebenso ein wie bei einem statio- 40 ist, daß Druck und Temperatur des im Saugrohrnären Bctiieb eines Motors mit Turboaufladung. system des Motors strömenden Mediums verhältnis-

F.in weiterer Vorteil iu-steht darin, daß die Luft- mäßig niedrig bleiben. Es ist jedoch allgemein beaufnahme eines nach diesem Verfahren arbeitenden kannt. daß sich die in einem zusammendrückbaren Motors nicht nur bei einer gegebenen Drehzahl, son- Medium herrschende Schallgeschwindigkeit propordern in einem sehr breiten Drehzahlbereich den durch 45 tionnl zur Quadratwurzel der absoluten Temperatur d.as gegebene System zugelassenen Höchstwert er- des Mediums verhält. In dieser Weise bleibt in sämtreicht. Die in der üblichen und bekannten Weise liehen Fällen, wenn der Turbolader verhältnismäßig erzeugte dynamische Aufladung (Aufladewirkung) wenig Luft fördert, die Schallgeschwindigkeit niedrig erhöht infolge der im Saugrohr auftretenden Schwin- und wenn die Menge des diTch den Turbolader begungen den Luftverbrauch des Motors stets bei einer 5° förderten Mediums wächst, erhöht sich auch die gegebenen Motordrehzahl in größtem Maße. Diese Temperatur und damit zusammen auch die Schall-Drehzahl ist neben der Ausbildung und den relativen geschwindigkeit.

Abmessungen des Saugrohrsystems auch noch von Aus dem Besagten ergibt sich auch die anderswo

der in dem im Saugrohr strömenden Medium herr- noch nie festgestellte vorteilhafte Eigenschaft. Bei sehenden Schallgeschwindigkeit abhängig. Es ist be- 55 niedriger Drehzahl oder bei mit Teillast laufendem kannt, daß sich in einem zusammendrückbaren Motor, wenn der Turbolader selbst ebenfalls mit Medium jede Störung oder Änderung mit der darin einer verhältnismäßig niedrigen Drehzahl läuft, ergibt herrschenden Schallgeschwindigkeit fortpflanzt. Aus sich infolge der niedrigeren Schallgeschwindigkeit bei diesem Grunde verändern sich die in einem gegebenen einer verhältnismäßig niedrigen Motordrehzahl die Saugrohrsystem ablaufenden Schwingungsverhältnisse 60 größte Wirkung der durch die Schwingungen hervoreiines zusammendrückbaren Mediums sowie die gerufenen dynamischen Aufladung. Sobald dann nach Eigensi hwingungszahl des Systems proportional zur dem Gasgeben durch den Fahrer auch der Turbolader Schallgeschwindigkeit. und der Motor schneller zu laufen beginnen, erhöhen

So ergibt sich z. B. in einer Saugleitung, die aus sich damit zusammen auch die Schallgeschwindigkeit dem /um Zylinder des Motors gehörenden Einlaß- 65 sowie die Drehzahl, bei der die dynamische Aufkanal bzw. dem an diesen angeschlossenen Saugrohr ladung ihre größte Wirkung abgibt,
ausgebildet ist und bei der das zum gegebenen Ein- Mit anderen Worten, der Höchstwert der durch die

laßkaii.il gehörende Saugrohr unmittelbar aus der dynamische Aufladung gesicherten Auffüllungswir-

kung folgt dem Lauf des Motors in einem außer- den Zylindern IV, V und VI gehörenden Saugrohre ordentlich breiten Motordrehzahlbereich. Dies hat ebenso an einen gemeinsamen Resonatorbehälter 10 zur Folge, daß eine wirksame Aufladung in einem angeschlossen. An den Resonatorbehälter 9 ist das wesentlich größeren Motcrdrehzahlbereich verwirk- Resonanzrohr 11 angeschlossen, das in das gemeinlicht werden kann, als dies bei einem der bisher be- ü same Sammelrohr 13 mündet. Das Sammelrohr 13 ist kannten Aufladungsverfahren überhaupt zu erhoffen durch das Verbindungsrohr 14 mit dem Turbolader ' war. Eine Folge davon ist, daß die bereits früher 15 des Motors bzw. mit dem Kompressor 16 des erwähnte Verbesserung der Motorparameier in einem Turboladers 15 verbunden. An einer mit dem Komüberraschend großen Drehzahlbereich eintritt, wie pressor 16 des Turboladers 15 gemeinsamen Welle ist dies auch auf Grund zahlreicher praktischer Messun- io die Turbine 17 angeordnet, an die sich das Auspuffgen festgestellt werden konnte. rohr 5 anschließt.

Die Erfindung soll an Hand de·· Zeichnungen er- Die Abgase des Motors erreichen durch das Ausläutert werden. Dabei zeigt puffrohr 5 durchströmend die Turbine 17 und brin-F i g. 1 einen 6-Zylinder-Dieselmolor mit Turbo- gen diese in Umlauf. Die durch die Turbine strömenaufladung und dessen einen Resonatorbehälter und 15 den Abgase gelangen durch die Öffnung 17« in die ein Resonatorrohr enthaltendes Saugrohrsystem im freie Atmosphäre oder in die in der Zeichnung nicht Schnitt und dargestellte Auspuffrohrleitung.

F i g. 2 dasselbe in Ansicht. Der Kompressor 16 des Turboladers saugt durch !n dem Zylinder 1 des in den Fig. 1 und 2 dar- die Öffnung 16a unmittelbar oder durch das auf der ci-.sicüten und mit einem Saugrohrsystem arbeitenden 20 Abbildung nicht dargestellte Luftfilter aus der Atmo-6-ZyIinder-Dieselmotors läuft der Kolben 2. Im Zy- sphäre die Luft an und drückt sie in das Verbindungslinderkopf 3 ist der Auslaßkanal angeordnet, an den rohr 14. Die Luft strömt aus dem Verbindungsrohr sich das Auspuffrohr 5 anschließt. 14 in das Sammelrohr 13, wo sie sich in zwei Teile Ebenfalls im Zylinderkopf 3 sind auch das Einlaß- teilt und durch die Resonanzrohre 11 sowie 12, die λ ventil 6 und der damit in Verbindung stehende Ein- 25 Resonatorbehälter 9 sowie 10 und dann durch die ρ laßkanal (Saugkanal) 7 angeordnet, an den sich das Saugrohre zu den Zylindern strömt. Unter Einwir-Saugrohr 8 anschließt. Der im Ausführungsbeispiel kung des periodischen Ansaugens der Zylinder ver vorgeführte Motor besitzt demgemäß ein Einlaß- und laufen sowohl im Resonatorbehälter 9 als auch im ■ ein Auslaßventil je Zylinder. Versieht man die sechs Resonatorbehälter 10 periodische Druckänderungen, J Zylinder des Motors mit einer laufenden Numerie- 30 die die zum Teil im Resonanzrohr 11, zum Teil im j, rung beginnend vom Schwungrad 18. so ergibt sich Resonanzrohr 12 strömende Luftsäule zu Schwindie Zünd- ü.:.i demgemäß such die Ansaugfolge der gungen erregt. Sobald die Eigenschwingungizahl des . Zylinder des Motors zu I V-III-VI-II-IV. Aus der Systems und die Frequenz der erregenden Drucky üblichen Arbeitsweise des Motors fließend, folgen die änderungen in ein entsprechendes Verhältnis gelan-Zylinder I, III und II sowie die Zylinder V, VI und 35 gen, kommt die im Saugrohrsystem befindliche Luft ^ IV einander in der Arbeitsweise rhit einem Kurbel- in einen intensiven Schwingungszustand und dieser *"".' wellenverdrehungswinkel von 240 . Dieser Winkel- gewährleistet die dem erfindungsgemäßen Verfahren

wert stimmt praktisch mit dem Öffnungswinkel der zu entsprechende dynamische Aufladungswirkung.

j- den einzelnen Zylindern gehörenden Einlaßventile Mit Hilfe der Einrichtung erhöht sich — in Ab-

überein. Deshalb sind die Ansaugperioden der einzel- \o hängigkeit von den Abmessungen des Motors — in

nen Zylinder (Gheder) sowohl bei der aus den Zylin- einem von 200 bis 500 U/min reichenden oder noch

\r dem I, II und III ah auch bei der aus den Zylindern breiteren Drehzahlbereich die Wirksamkeit der Auf-

, IV, V und Vi bestehenden Zylindergruppe aufein- ladung des Zylinders (Füllungsgrad) ziemlich be-

\ anderfolgend angeordnet, d.h., ihre Ansaugperioden deutend — um etwa 20 bis 30¹Vo. In dieser Weise

'I überdecken einander entweder überhaupt nicht oder 45 eignet sich die Einrichtung vorzüglich zur Erhöhung

-¹I nur in einem geringen Maße. Die Saugrohre der des Höchstdrehmoments von Motoren mit Turbo-

, Zylinder I, II und III sind demgemäß zu den sich aufladung, weiterhin zur Verbesserung der bei nied-

nach Ansaugperioden gegenseitig in bedeutendem rigen Motordrehzahlen auftretenden Verhältnisse. Als

. Maße nicht überdeckenden Zylindern gehörende besondere Vorteile der Einrichtung können die gün-

. Saugrohre und münden so in einen gemeinsamen 50 stig herstellbare Konstruktion und der verhältnis-

'', Resonatorbehälter 9. In ähnlicher Weise sind die zu mäßig geringe Platzbedarf erwähnt werden.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

gegenseitige Abstimmung des Motors und des Turbo- Patentansprüche: Taders ist in einzelnen Fällen, z. B. bei stationärem oder Schiffsbetrieb, bei denen der Motor für lange

1. Brennkraftmaschine mit Ausnutzung der Zeit mit konstanter Belastung und Drehzahl läuft, ; Schwingungen der Frischgase in der Einlaßlei · 5 eine verhältnismäßig einfache und gut erfüllbare Auf-

lung mittels eines auf Resonanz abgestimmten gäbe.

Mehrfachsystems, dadurch gekennzeich- Ein wesentlich ungünstigeres Anwendungsbeispiel

net, daß bei Anwendung der Abgasturboauf- bedeutet bei Motoren mit Turboaufladung der

% ladung die Motordrehzahl, bei der Resonanz in Straßenfahrzeugbetrieb. In letzterem Fall verändern "'■ der Einlaßleitung auftritt, im unteren Drehzahl- io sich nämlich Belastung und Drehzahl des Motors

bereich der Brennkraftmaschine liegt. zwischen ziemlich weiten Grenzen, wobei noch die

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1. da- durch den Betrieb der Straßenfahrzeuge hervordurch gekennzeichnet, daß das Mehrfachstem gerufenen, häufig sehr schnellen Änderungen der Beaus Resonanzrohr und Resonanzbehälter bestehi. Tastung und Drehzahl hinzukommen.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, da- 15 Scinvierigkeilsn bereitete aber bisher die Abstim- :; durch gekennzeichnet, daß zwischen dem Mehr- mung der Turbolader auf die Brennkraftmaschine. ^: fachsystem und dem Turbolader ein Ausgleichs- Dies liegt daran, daß der Turbolader bei Erhöhung

behälter geschaltet ist. der Motordrehzahi eine immer größere Aufladung

liefert und sich nicht an die durch den Motor er-20 reichbare und durch das Fahrzeug bedingte Forderung nach einem elastischen Drehmoment anpaßt. So

kann z. B. ein Turbolader, der den Motor im Bereich