DE19829910A1 - Ladeverfahren und -vorrichtung für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung richtet sich einerseits auf ein Verfahren zum Aufladen eines Verbrennungsmotors mit vorverdichteter Ansaugluft, wobei ein Teil der Verbrennungsabgase von dem Brennraum in einen Druckbehälter geleitet und von dort durch eine Injektordüse mit hoher Geschwindigkeit in die Sammelsaugleitung und/oder in den Einlaßkanal eines oder mehrerer Zylinder geblasen wird, so daß die Ansaugluft mitgerissen und dadurch verdichtet wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens, wobei von dem Verdichtungsraum und/oder dem Auslaßkanal eines oder mehrerer Zylinder eine Rohrleitung über ein Rückschlagventil zu einem Speicherbehälter führt, der über (je) eine weitere Rohrleitung mit einer oder mehreren Injektordüse(n) verbunden ist, welche in dem Sammelsaugrohr und/oder in dem (den) Einlaßkanal (-kanälen) angeordnet ist (sind).

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Aufladen eines Verbren­ nungsmotors mit vorverdichteter Ansaugluft, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Leistung eines Verbrennungsmotors wird von dessen Hubraum, Drehzahl und von dem mittleren Gasdruck bestimmt. Bislang ist jede Leistungssteigerung mit erheblichem, konstruktivem Aufwand verknüpft: Eine Vergrößerung des Hubvolumens bringt eine Erhöhung des Motorvolumens und -gewichts mit sich, zur Steigerung der Motordrehzahl muß die Masse der bewegten Teile reduziert werden, und eine Erhöhung des mittleren Gasdrucks wird bislang vor allem durch zusätzliche Abgasturbolader erreicht, welche zwar eine Leistungs­ steigerung von etwa 20% bewirken, jedoch Gewicht, Volumen und Kosten ei­ nes Antriebsaggregats negativ beeinflussen. Ähnliches gilt für Druckwellenla­ der, bspw. den sog. Comprex-Lader, wo eine Verdichtung innerhalb eines Zel­ lenrades erfolgt, und für mechanisch mit dem Motor gekoppelte Lader, wie bspw. den Roots-Lader, Flügelzellenlader oder Spirallader.

Ein grundsätzlich anderes Prinzip zur Steigerung des mittleren Gasdrucks ist in der EP 0 276 925 offenbart: Hier wird in einem Kompressor verdichtete Luft in kurzen Pulsen durch enge Düsen gepreßt, welche innerhalb von Mischkam­ mern münden, die je einem Zylinder zugeordnet sind. Diese Mischkammern haben einen zusätzlichen Einlaß für Luft oder ein Luft-Benzin-Gemisch sowie einen Auslaß zu dem betreffenden Zylinder. Durch den gepulsten Überschall-Strahl wird Luft mitgerissen und in den Verbrennungsraum gepreßt. Auch diese Anordnung ist aufgrund des Kompressors mit einem erheblichen, mechani­ schen Zusatzaufwand verbunden. Deshalb ist in einer weiteren Ausführungs­ form gemäß dieser Druckschrift vorgesehen, als Druckquelle für die gepulsten Überschall-Strahlen anstelle des Kompressors die komprimierten Verbren­ nungsabgase zu verwenden und zu diesem Zweck in der Mantelseite eines Zylinders einen zusätzlichen Auslaß vorzusehen, durch den am Ende des Ar­ beitstaktes ein Teil der Verbrennungsgase zu der Düse eines etwa um 180° versetzt arbeitenden Zylinders strömen kann. Zwar wird hier der Kompressor eingespart, diese Anordnung leidet jedoch an erheblichen Nachteilen: Einer­ seits ist der Druck innerhalb eines Zylinders am Ende des Arbeitstaktes bereits erheblich abgesunken, und durch Öffnen des Auslaßventils wird der Druck überdies schnell weiter abgebaut, so daß mit dieser Anordnung überhaupt nur kurze Strahlpulse möglich sind. Diese sind nicht in der Lage, innerhalb dieser kurzen Zeit ein für eine ausreichende Verdichtung notwendiges Luftvolumen in einen Zylinderraum zu transportieren, so daß einer Leistungssteigerung enge Grenzen gesetzt sind.

Aus den Nachteilen des vorbekannten Stands der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Auf­ laden eines Verbrennungsmotors mit vorverdichteter Ansaugluft zu schaffen, das mit einem möglichst geringen konstruktiven Zusatzaufwand realisiert wer­ den kann und eine mit Turboladern vergleichbare Leistungssteigerung bringen kann. Darüber hinaus soll die Verdichtung möglichst unabhängig von der Mo­ tordrehzahl sein und auch eine ausreichende Dynamik aufweisen, so daß für Beschleunigungsvorgänge verzögerungsfrei die maximale Motorleistung zur Verfügung gestellt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß ein Teil der Verbrennungsabgase von einem Brennraum in einen Druckbehälter geleitet und von dort durch eine Injektordüse mit hoher Geschwindigkeit in die Ansaugleitung geblasen wird, so daß die Ansaugluft mitgerissen und dadurch verdichtet wird. Im Gegensatz zu der Anordnung nach der EP 0 276 925 werden hier die Verbrennungsabgase nicht direkt von einem Zylinder zu einem anderen geschoben, sondern sie gelangen zunächst in einen Behälter, der als Druckreservoir verwendet wird, so daß der erzeugte Luftstrom nicht an die Kol­ benstellung der Zylinder gekoppelt ist, sondern den Anforderungen entspre­ chend gesteuert werden kann. Diese Möglichkeit erlaubt es, auch größere Strömungswege zu realisieren und die Injektordüse aus den Einlaßkanälen in das Sammelansaugrohr zu verlegen, so daß eine einzige Injektordüse für einen Mehrzylindermotor völlig ausreichend ist.

Es hat sich als günstig erwiesen, daß die Verbrennungsabgase stromabwärts des Vergasers eingeblasen werden. Diese Anordnung hat mehrere Effekte: Ei­ nerseits wird der Vergaser von erhöhten Drucken freigehalten, so daß Dich­ tungsprobleme erheblich gesenkt werden können. Andererseits findet durch den Kontakt mit dem starken Luftstrahl eine zusätzliche, starke Verwirbelung des Luft-Kraftstoff-Gemischs statt, was sich günstig auf den Brennvorgang auswirkt.

Die Erfindung bietet die weitere Möglichkeit, daß die Verbrennungsabgase be­ ständig durch die Injektordüse geblasen werden, so daß sich innerhalb des Sammelsaugrohrs und/oder der Einlaßkanäle ein Überdruck ausbilden kann. Durch dieses Erfindungsmerkmal wird der Bereich der Einlaßkanäle zwischen dem Einstrahlort und den Einlaßventilen als weiterer Druckspeicher genutzt, wo während der gesamten Taktperiode des Motors Luft verdichtet wird und sodann beim Öffnen eines Einlaßventils in direkter Umgebung desselben mit bereits erhöhtem Druck zur Verfügung steht, so daß während der gesamten Fül­ lungsphase des Zylinders die Einströmgeschwindigkeit heraufgesetzt ist und dadurch das Ladevolumen deutlich verbessert werden kann. Hierbei wirkt die Injektordüse wie ein Rückschlagventil, in dem sie ein Entweichen des vorver­ dichteten Luftgemischs aus dem stromabwärtigen Bereich des Sammelsaug­ rohrs bzw. des Einlaßkanalsystems vermeidet.

Die Erfindung sieht weiterhin vor, daß die Verbrennungsabgase durch die In­ jektordüse etwa axial in Richtung des/der Einlaßventil(e) geblasen werden. Hierdurch wird der Impuls der schnell fliegenden Luftmoleküle in maximalem Umfang auf die mitgerissenen Luftpartikel übertragen, so daß ein maximaler Vorverdichtungsdruck erreichbar ist.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient eine Motoranordnung, wobei von dem Verdichtungsraum eines oder mehrerer Zylinder und/oder von dem Auslaßkanal eines oder mehrerer Zylinder (je) eine Rohrleitung über (je) ein Rückschlagventil zu einem Speicherbehälter führt, der über eine weitere Rohrleitung mit einer oder mehreren Injektordüse(n) verbunden ist, die in dem Sammelsaugrohr und/oder in dem (den) Einlaßkanal (-kanälen) angeordnet ist (sind). Die erfindungsgemäße Anordnung schafft eine Zwischenspeichermöglichkeit für einen Teil der unter hohem Druck stehenden Verbrennungsgase. Dieser Speicherbehälter wird ständig gefüllt, so bald innerhalb eines Zylinders der Druck über den Druckwert innerhalb des Speicherbehälters ansteigt, da solchenfalls das Rückschlagventil öffnet. Sofern der Speicherbehälter ein ausreichendes Volumen aufweist, ist er in der Lage, eine Glättung der Druckschwankungen des stoßweise eintretenden Verbrennungsgases herbeizuführen, der einen zeitlich etwa konstanten Luftstrahl durch die Injektordüse treiben kann.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Rohrleitung(en) von und/oder zu dem Speicherbehälter innerhalb des Zylinderkopfs verlaufen. Da sowohl der Verdichtungsraum als auch die Auslaß- und/oder Einlaßkanäle überwiegend von dem Zylinderkopf begrenzt werden, empfiehlt es sich, zumindest einen Teil der betreffenden Rohrleitungen in den Zylinderkopf zu verlegen. Die erfin­ dungsgemäßen Rückschlagventile können entweder innerhalb einer Ausneh­ mung des Zylinderkopfs angeordnet werden oder an dessen Außenseite, wo ggf. Anschlüsse für den Speicherbehälter vorgesehen sind.

Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, daß die Injektordüse(n) etwa in axialer Richtung bezogen auf das Sammelsaugrohr und/oder den betreffenden Einlaß­ kanal angeordnet ist (sind). Da sowohl das Sammelsaugrohr als auch die Ein­ laßkanäle eines Verbrennungsmotors von außen zugänglich sind, ist es mög­ lich, die Injektordüse(n) hier in der gewünschten Weise anzuordnen, wobei die axiale Richtung wie oben bereits ausgeführt eine maximale Vorverdichtung be­ wirkt.

In Konkretisierung des Erfindungsgedankens ist weiter vorgesehen, daß die Injektordüse(n) etwa konzentrisch bezogen auf das Sammelsaugrohr und/oder den betreffenden Einlaßkanal angeordnet ist (sind). Hiermit läßt sich eine mög­ lichst gleichmäßige Strömungsverteilung innerhalb des betreffenden Rohrs herbeiführen, so daß der auf das von dem Vergaser herrührende Kraftstoff- Luft-Gemisch einwirkende Saugeffekt sich in etwa gleichmäßig über den ge­ samten Rohrquerschnitt hinweg ausbilden kann.

Es hat sich als günstig erwiesen, daß die Injektordüse(n) in einem gekrümmten und/oder abknickenden Bereich des Sammelsaugrohrs und/oder des betreffen­ den Einlaßkanals angeordnet ist (sind). Hier kann der vordere Bereich der In­ jektordüse axial sowie konzentrisch bezüglich des betreffenden Rohrabschnitts angeordnet werden, während der rückwärtige Bereich durch den Rohrmantel nach außen tritt und den Anschluß einer Druck-Zuleitung ermöglicht.

Diese Anordnung läßt sich dahingehend weiterbilden, daß in dem Bereich stromaufwärts der Injektordüse das Sammelsaugrohr die Längsachse des stromwärtigen Bereichs etwa ring- oder sichelförmig umschließt, so daß der Zuluftstrom den Injektorluftstrom etwa zylindermantelförmig umgibt. Der be­ treffende Bereich kann nach strömungstechnischen Gesichtspunkten derart ausgelegt werden, daß das Kraftstoff-Luft-Gemisch zumindest teilweise um den Injektor herumgeführt wird und somit am Umfang des starken Luftstrahls überall für eine Vorverdichtung in ausreichendem Umfang zur Verfügung steht.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Querschnitt des Sammelsaugrohrs stromabwärts der Injektordüse kleiner ist als stromaufwärts derselben. Diese Anordnung berücksichtigt einerseits, daß sich die Strömungsgeschwindigkeit der mitgerissenen Luftpartikel stark erhöht, so daß der betreffende Volumen­ strom einen geringeren Querschnitt benötigt. Andererseits kann innerhalb eines verengten Bereichs die durch den Vorverdichtungsdruck ausgelöste Rückströmungstendenz reduziert werden, so daß eine größere Vorverdichtung erreicht werden kann.

Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, daß sich der Querschnitt des Sammelsaugrohrs stromabwärts der Verengung an der Injektordüse wieder erweitert. Diese Maßnahme erhöht den für die vorverdichtete Luft zur Verfü­ gung stehenden Speicherraum, so daß nach Öffnen eines Einlaßventils die vorverdichtete Luft schlagartig in den nun freigegebenen Zylinder-Hubraum einströmen kann.

Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Er­ findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung.

In der Zeichnung ist in schematisierter Form ein Schnitt durch einen Zylinder 1 eines Verbrennungsmotors 2 quer zu dessen Kurbelwelle 3 zu sehen. Darge­ stellt sind das Kurbelwellengehäuse 4, die Pleulstange 5 sowie der auf- und abbewegliche Kolben 6 sowie das betreffende Einlaßventil 7 und der Einlaß­ kanal 8. Das Auslaßventil ist wie auch weitere Einzelheiten zur Erhöhung der Übersichtlichkeit weggelassen. Der Einlaßkanal 8 ist über eine Sammelsaugleitung 9 mit einem nicht dargestellten Vergaser verbunden, durch welchen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch 10 bei geöffnetem Ventil 7 in den Brenn­ raum 11 einströmen kann.

Um die Leistung eines derartigen Motors 2 zu verbessern, soll eine Vorver­ dichtung der in den Brennraum 11 zu ladenden Ansaugluft vorgenommen wer­ den. Jenem Zweck dient die im folgenden beschriebene Zusatzeinrichtung 12.

Diese umfaßt einen Speicherbehälter 13 für unter Druck stehende Verbren­ nungsgase, der über Rohrleitungen 14 mit je einer zylinderkopfseitigen Öffnung 15 jedes Zylinder-Verdichtungsraums kommuniziert. In der Zuleitung 14 von jedem Zylinder 1 ist je ein Rückschlagventil 16 angeordnet, so daß zwar wäh­ rend der Zündung und dem darauf folgenden Arbeitstakt, wenn der Druck in dem Brennraum 11 größer ist als in dem Speicherbehälter 13, eine kleine Teil­ menge der Verbrennungsgase durch die dünne Rohrleitung 14 in den Spei­ cherbehälter 13 strömen kann, während andererseits in der nachfolgenden Ausschiebephase das betreffende Rückschlagventil 16 ein Zurückströmen der in dem Druckbehälter 13 gespeicherten Gase unterbindet.

In dem Sammelsaugrohr 9, welches bei der vorliegenden Darstellung nicht maßstäblich gezeichnet ist, befindet sich ein Knick 17. In der außen liegenden Rohrwand 18 ist ein Injektor 19 angeordnet, dessen Düse 20 etwa axial sowie konzentrisch zu dem Sammelsaugrohr 9 angeordnet ist und etwa in Richtung auf das Einlaßventil 7 gerichtet ist. Die Injektordüse 19 ist über eine weitere Rohrleitung 21 mit einem Auslaß 22 des Speicherbehälters 13 verbunden.

Durch dessen Überdruck strömt ständig eine kleine Menge der gespeicherten Verbrennungsgase durch die Düse 20 des Injektors 19 in das Sammelsaugrohr 9 und von dort zu dem Einlaßkanal 8. Im Bereich der Düse 20 findet eine sehr starke Verengung des Strömungsquerschnitts der Rohrleitung 21 statt, so daß die Verbrennungsgase aufgrund des hohen Druckes im Speicherbehälter 13 mit einer sehr großen Geschwindigkeit ausströmen. Da hierbei die zunächst in dem hohen Gasdruck als potentielle Energie gespeicherte Arbeit in kinetische Energie des schnell strömenden Gasstrahls umgesetzt wird, sinkt die potentielle Energie und damit der Druck innerhalb des Düsenaustritts unter den atmosphärischen Luftdruck ab, und in den dadurch entstehenden Unterdruckbereich strömt somit das Kraftstoff-Luft-Gemisch 10 aus dem Vergaser nach. Dabei werden dessen Moleküle bei Stößen mit den Gasstrahl-Mo­ lekülen von deren hohem Impuls in Richtung zu dem Sammelsaugrohr 9 beschleunigt und in den Bereich der Einlaßkanäle 8 gepreßt. Da zunächst das Ventil 7 geschlossen ist, sammelt sich in dem Bereich der Einlaßkanäle 8 ein vorverdichtetes Kraftstoff-Luft-Gemisch hohen Druckes an, das infolge der Ventilwirkung des Injektorgasstrahls nicht durch das Sammelsaugrohr 9 zurückströmen kann.

Wird nun das Ventil 7 geöffnet, kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem nicht maßstäblich dargestellten Bereich des Einlaßkanalsystems sowie der Sammelsaugleitung 9 schlagartig in den Verdichtungs- und Hubraum 11 ein­ strömen, wobei der Gasstrahl das mitgerissene Gemisch zusätzlich hineinpreßt und dadurch den Gasdruck innerhalb des Verdichtungs- und Hubraums 11 etwa auf den Betrag eines durch Turbolader aufgeladenen Motors anhebt.

Damit der Gasstrahl hoher Geschwindigkeit eine möglichst große Menge des Kraftstoff-Luft-Gemischs 10 erfassen und mitreißen kann, ist erfindungsgemäß Sorge dafür getragen, daß das Gemisch 10 von allen Seiten an die Injektor­ düse 20 gelangen kann. Zu diesem Zweck ist die Verbindungsleitung 23 vom Vergaser im Bereich des Injektors 19 etwa ringförmig 24 erweitert und umgibt dabei den mit der Längsachse der Sammelansaugleitung 9 fluchtenden Injektor 19. Im Bereich der Düse 20 ist das Sammelansaugrohr 9 gegenüber der Rohr­ leitung 23 vom Vergaser querschnittlich verjüngt, so daß auch bei innerhalb des Sammelansaugrohrs 9 angestautem Kraftstoff-Luft-Gemisch infolge der Düsenwirkung keine Rückströmung stattfindet und in dem vorzugsweise quer­ schnittlich erweiterten Einlaßkanalbereich 8 ein Reservoir vorverdichteten Kraftstoff-Luft-Gemischs angesammelt werden kann.

Da der erfindungsgemäße Motor trotz seiner hohen Leistung ein geringes Ge­ wicht hat, eignet sich diese Anordnung auch in besonderem Umfang für Zwei­ radantriebsmotoren. Hierbei ist es sogar möglich, die erfindungsgemäße An­ ordnung auch bei Zweitaktmotoren einzusetzen, wo dadurch auf die Kurbelge­ häusespülung verzichtet werden kann. Dies hat den weiteren Vorteil einer Re­ duzierung des Kraftstoffverbrauchs.

Claims (13)

1. Verfahren zum Aufladen eines Verbrennungsmotors (2) mit vorverdichteter Ansaugluft, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Verbrennungsabgase von dem Brennraum (11) in einen Druckbehälter (13) geleitet und von dort durch eine Injektordüse (20) mit hoher Geschwindigkeit in die Ansaugleitung (8, 9) geblasen wird, so daß die ggf. mit Kraftstoff angereicherte Ansaugluft (10) mitgerissen und dadurch verdichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsabgase stromabwärts des Vergasers eingeblasen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsabgase in das Sammelsaugrohr (9) und/oder in einen oder mehrere Einlaßkanäle (8) eingeblasen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsabgase beständig durch die Injektordüse (20) geblasen werden, so daß sich innerhalb des Sammelsaugrohrs (9) und/oder der Einlaßkanäle (8) ein Überdruck ausbilden kann.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsabgase durch die Injektordüse (20) etwa axial in Richtung des/der Einlaßventil(e) (7) geblasen werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Verdichtungsraum und/oder dem Auslaßkanal eines oder mehrerer Zylinder (1) eines Verbrennungsmotors (2) eine Rohrleitung (14) über ein Rückschlagventil (16) zu einem Speicherbehälter (13) führt, der über eine weitere Rohrleitung (21) mit einer oder mehreren Injektordüse(n) (20) verbunden ist, die in dem Sammelsaugrohr (9, 23) und/oder in dem (den) Einlaßkanal(-kanälen) (8) des Motors (2) angeordnet ist (sind).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrlei­ tung(en) (14, 21) von und/oder zu dem Speicherbehälter (13) innerhalb des Zylinderkopfs verlaufen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektordüse(n) (20) etwa in axialer Richtung bezogen auf das Sammelsaugrohr (9) und/oder den betreffenden Einlaßkanal (8) angeordnet ist (sind).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektordüse(n) (20) etwa konzentrisch bezogen auf das Sammelsaugrohr (9) und/oder den betreffenden Einlaßkanal (8) angeordnet ist (sind).

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektordüse(n) (20) in einem gekrümmten und/oder abknickenden Bereich (17) des Sammelsaugrohrs (9, 23) und/oder des betreffenden Einlaßkanals angeordnet ist (sind).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich stromaufwärts der Injektordüse (20) das Sammelsaugrohr (23) die Längsachse des stromabwärtigen Bereichs (9) etwa ring- (24) oder sichelförmig umschließt, so daß der Zuluftstrom (10) den Injektorluftstrom etwa zylindermantelförmig umgibt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Sammelsaugrohrs (9) stromabwärts der Injektordüse (20) kleiner ist als stromaufwärts derselben (23).

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt des Sammelsaugrohrs (9) und/oder Einlaßkanals (9) stromabwärts der Verengung an der Injektordüse (20) wieder erweitert.