DE2243269C2 - Luftzuführungssystem, insbesondere Ansaugleitungssystem - Google Patents

Luftzuführungssystem, insbesondere Ansaugleitungssystem

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Description

JO
Die Erfindung bezieht sich -;jf ein Luftzuführungssystem, insbesondere Ansajgleitungssystem, für aufeinanderfolgende Zylinder von Hu! iioIben-Brennkraftmaschinen, mit je Zylinder mindestens einer von einer Sammelleitung für einige zu einer Gruppe zusammengefaßte Zylinder ausgehenden Stichleitung, die jeweils bis zur Ventilsitzöffnung des zugeordneten Zylinders führt, wobei die Stichleitungen unter sich zumindest annähernd gleiche Länge sowie im Bereich der jeweiligen Ventilsitzöffnung drallbildende Organe für die durch sie zu führenden Luftmassen aufweisen, der Querschnitt der Stichleitungen sich von den Ventilsitzöffnungen an stetig erweitert und die Strecken jeweils von der Ventilsitzöffnung über die Stichleitung und die Sammelleitung bis zu dem stromaufwärtigen Ende der Sammelleitung zumindest annähernd gleich sind.
Zum Erhöhen der Leistung einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise der eines Dieselmotors, ist es notwendig, neben einer Reihe von Maßnahmen auch dem Luftführungssystem, insbesondere im Ansaug, eine besondere Bedeutung beizumessen, um dadurch zum einen die der Verbrennung zuzuführende Luftmenge so in den Brennraum einzuführen, daß eine optimale Purchmischung dieser Luft mit dem vorhandenen Kraftstoff erfolgen kann und zum anderen das Mengenverhältnis zwischen Kraftstoff und Luft so abgestimmt ist, daß so viel Luft verbrannt wird, wie Kraftstoff dieser zur Verfügung steht. Um dabei die zur Verfügung zu stellende Lufimenge der entsprechenden Kraftstoffmenge anzupassen, ist es bekannt, insbesondere im Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine, Auflademittel vorzuschalten, um mit diesen die Liefermenge der durch die Ansaugleitung zu führenden Luft zu erhöhen. Diese Auflademittel können dabei als Lüfterräder, Turbolader oder Fahrtwind ausnutzende Leitvorrichtungen ausgebildet sein.
60 Bei einer bekannten Brennkraftmaschine mit einem dem Zuführen einer erhöhten Luftmenge dienenden Luftzuführungssystem sind die einzelnen Zylinder- bzw. Brennräume der Brennkraftmaschine über kürzere Verbindungsleitungen, sogenannte Stichleitungen, mit einer, mehreren Zylindern zugeordneten, gemeinsamen Sammelleitung verbunden. Diese Stichleitungen weisen dabei unterschiedliche Länge auf und sind über einen, ebenfalls gemeinsamen Stutzen an der Sammelleitung angeschlossen. Die gemeinsame Sammelleitung ist dabei konisch ausgeführt und weist ihre kleinere Öffnung am Stutzen der Stichleitungen und ihre größere Öffnung an ihrem einen Lüfterrad zugewandten Ende auf. Das Lüfterrad, welches von der Brennkraftmaschine selbst angetrieben wird, rotiert vor der großen Öffnung der Sammelleitung, und es ist das Lüfterrad selbst zwischen der Brennkraftmaschine und einem dieser vorgeschalteten Kühler angeordnet. Der Raum zwischen Kühler und Brennkraftmaschine, in dem das Lüfterrad umläuft, ist frei von Umbauten, und es ist lediglich ein Stutzen des Kühlers, über den gekühlter Fahrtwind geführt wird, vor der großen Öffnung der Sammelleitung so angeordnet, daß auch ein Teil des Fahrtwindes über diesen Stutzen in die Sammelleitung gelangt. Zwar wird bei dieser Brennkraftmaschine eine konische Sammelleitung verwendet, welche in der Lage wäre, eine größere Luftmenge auf kleinerem axialen Raum zur Verfügung zu halten, indessen kann diese Luftmenge, entsprechend der Taktfolge, nicht bei allen Ansaugtakten schnell genug in den Brennraum angesaugt werden,'»eil in der strömungstechnisch ungünstigen Anordnung und Ausbildung der Stichleitungen ein Großteil der kinetischen Energie des Saughubes des Kolbens verloren geht. Dadurch wird der Brennraum nicht optimal mit Frischluft gefüllt, so daß bei zu wenig vorhandener Frischluft der Kraftstoff vielfach zu Ruß verbrennt oder bei zu viel vorhandener Frischluft an der Brennstelle zuviel Sauerstoff, insbesondere für NO,-Reaktionen zur Verfügung steht, so daß in beiden Fällen mit einer Verschlechterung de; Abgase gerechnet werden muß (DE-PS 8 64 479).
Bei einer weiteren bekannten Brennkraftmaschine sind im Zylinderkopf konisch verlaufende Abschnitte eines Luftzuführungssystems angeordnet, und es sind diese Abschnitte so ausgebildet, daß sie beginnend an jeweils einer Ventilsilzöffnung und mündend in einen Sammelkanal ihren kleinsten Querschnitt an der Ventilsitzöffnung und ihren größten Querschnitt am Sammelkanal und somit stromaufwärts aufweisen. Die Abschnitte selbst, von denen jeweils zwei über eine gemeinsame Anschlußöffnung am Sammelkanal zusammengefaßt Siind, weisen jeweils für sich die gleiche bis annähernd gleiche Länge zwischen Anschluß am Sammelkanal und Ventilsitzöffnung auf, und sie sind im Bereich der jeweiligen Vcntilsitzöffnung mit drallbildenden Organen ausgestattet. Bei diesem Luftzuführungssystem wird es als nachteilig angesehen, daß zum einen jeweils zwei Abschnitte über eine gemeinsame Anschlußöffnung am Sammelkanal angeschlossen und zum anderen die Konizität dieser Abschnitte über diese Anschlußöffnung stromaufwärts nicht fortgeführt worden ist. Dadurch ist es bei dieser Ausführung des Luftzuführungssystems nicht möglich, eine dem jeweiligen Verbrennungsvorgang angepaßte Luftmenge in den jeweiligen Brennraum einzubringen, so daß mangels einer ausreichenden Luftmenge eine unzulängliche Verbrennung nicht ausgeschlossen werden kann (vgl. DE-AS 12 97 946).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Luftzuführungssystem, insbesondere Ansaugleitungssystem, einer Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs (vgl. DE-AS 12 97 946) zu schaffen, mit dem zum einen in allen Drehzahlbereichen noch vor Beendigung des Ansaughubes die optimale Zylinderfüllung durch hohe Beschleunigung der Luftmenge im Luftzuführungssystem erreicht und zum anderen für jeden Verbrennungsablauf eine ausreichend-- Luftmenge in jedem dem Brennraum vorgelagerten Leitungsstrang des Luftzuführungssystems bereitgestellt wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einem Luftzuführungssystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Querschnitt der Sammelleitung ι ~> sich von ihrem Übergang in die Stichleitungen an ebenfalls stetig erweitert, und daß die Querschnittserweiterung von Stichleitungen und Sammelleitung mit dem Quadrat der dem betreffenden Querschnitt zugeordneten Abnahme der Einwirkungszeit zwischen -o dem Zeitpunkt des Wirksamwerdens des Ventilöffnungsimpuises in diesem Querschnitt und dem Ventiischließzeitpunkt erfolgt.
Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß der Liefergrad an Frischluft für jeden Brennraum auf einfache Weise für die Optimierung des Verbrennungsabiaufes bereitgestellt werden kann, so daß auch die Verbrennung mit weniger schädlichem Abgas erfolgen kann. Durch die Konizität des Luftzuführungssystems ab der Ventilsitzöffnung bis zur Einlaßöffnung des jo Systems wird die Einströmgeschwindigkeit der Luftsäule erhöht, weil die weiter von der Ventilsitzöffnung entfernte Luft nicht so hoch beschleunigt wird. Mit der hohen Einströmgeschwindigkeit wird erreicht, daß der Zylinder bzw. der Brennraum — im Gegensatz zur r> Schwingungsaufladung — noch vor Beendigung des Ansaughubes des Kolbens gefüllt wird, was wiederum für die Drallordnung im Zylinder bzw. Brennraum von größter Wichtigkeit ist. Außerdem wird durch die gute Füllung des Zylinders bzw. Brennraumes und den w geordneten Mischvorgang eine bessere Verbrennung erzielt, die wiederum eine Steigerung der Leistung bei weniger, anfallendem schädlichen Abgas ermöglicht. Versuche haben bestätigt, daß die Schwingung der Luftsäule im Luftzuführungssystem für die Füllung des Zylinders ohne Bedeutung mehr in. Es wurde außerdem gefunden, daß die der erfolgten Beschleunigung vielfach nachfolgende Schwingung der Luftsäule für die Füllung des Zylinders bzw. Brennraumes auch ohne Bedeutung ist. Eine optimale Beschleunigung der vor dem Zylinder cn bzw. Brennraum anstehenden Luftsäule kann besonders dann erzielt werden, wenn das Einlaßventil erst dann geöffnet wird, wenn der Restgasdruck im Zylinder bzw. Brennraum unter dem Druck der Luftsäule im Luftzuführungsjystem des Ansaugs abgebaut ist.
Außerdem kann sich der vom Kolben aufgebrachte Unterdruck als Beschleunigungsenergie vollständig auf die Luftsäule im Luftzuführungssystem auswirken, da kein die Energie des Saughubes verbrauchender Kanalengpaß im Luftzuführungssystem vorliegt.
Es wurde ferner festgestellt, daß die Einwirkungszeit des Unterdrucks durch den Saughub des Kolbens auf die Beschleunigung der im Luftzuführungssystem befindlichen Luftsäule mit der Entfernung vom Einlaßventil wegen der endlichen Schallgeschwindigkeit abnimmt. t>5 Daraus ergibt sich, daß die höchstmögliche Beschleunigung der Luftsäule auf hohe Geschwindigkeit nur in Ventilnähe, d. h. in der Nähe der Ventilsitzöffnung, möglich ist.
Um aber dieser Erkenntnis im gesamten Luftzuführungssystem Rechnung zu tragen, wurde der Querschnitt des Luftzuführungssystems, d. h. der Stichleitungen und der gemeinsamen Sammelleitung, quadratisch mit zunehmendem Abstand von der Ventilsitzöffnung in dem Maß vergrößert, wie die zeitliche Einwirkung des Unterdruckes, d.h. der Unterdruckwelle des Kolbens, mit zunehmendem Abstand von der Ventilsitzöffnung abnimmt. Dadurch wird der Querschnitt der Ansaugleitung an dem der Ventilsitzöffnung zugewandten Ende kleiner als an dem der Ventilsitzöffnung abgewandten Ende, z. B. am Ausgleichsbehälter, gehalten. Ungeachtet dessen müssen die Rohrlängen von der Ventilsitzöffnung bis zur großen öffnung der Sammelleitung für jeden Zylinder gleich lang ausgeführt werden, damit für den jeweiligen Saughub gleiche Verhältnisse vorliegen.
Es ist auch schon eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem im Zylinderkopf vorgesehenen Einlaßkanal bekannt, bei der der Einlaßkanal sich ab einer im Bereich der Ventilsitzöffnung Ii- senden Engpaßstelle sowoh! zum Einlaß als auch zur Vcnt'lsitzöffnung selbst hin stetig erweitert, doch weist der Einlaßkanal bzw. das Luftzuführungssystem bei dieser Brennkraftmaschine keine stetige Querschnittserweiterung ab der Ventilsitzöffn.ing bis zur endgültigen Einlaßöffnung auf, sondern schließt die Engpaßstelle in sich ein, durch die der a!s Beschleunigungsenergie für die Luftsäule aufgebrachte Unterdruck des saugenden Kolbens sich nicht voll auf diese Luftsäule auswirken kann (DE AS 14 76 080).
Darüber hinaus ist es bekannt, den Liefergrad an Verbrennungsluft bei Brennkraftmaschinen dadurch zu erhöhen, daß die Schwingung der im Luftzuführungssystem befindlichen Luftsäule ausgenutzt wird. Diese Luftsäule, die mit einer bestimmten Amplitude hin- und herschwingt, gelangt durch das Öffnen des Einlaßventils, unterstützt von der Saugkraft des Kolbens, in den Zylinder. Ungeachtet dessen, daß es bei unterschiedlichen Drehzahlen nicht einfach ist, gleichbleibende Liefergrade bei jedem Ansaughub zu erreichen, ist es bei diesen Systemen, um ausreichende Luftmengen vor Jen Einlaßventilen vorrätig zu halten, notwendig, die Ansaugleitungen sehr lang auszuführen (vgl. AT-PS 1 81 125).
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Luftzuführungssystems schematisch dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Brennkraftmaschine mit an deren Zylindern angeschlossenen Stichleitungen und einer an diesen wiederum sich anschließenden Sammelleitung für einige aufeinander folgende Zylinder und
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Stichleitung und die daran anschließende Sammelleitung mit einer im 7: Ihderkopf vorgesehenen Ventilsitzöffnung.
An einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 ist ein Luftzuführungsiystem 2 angeschlossen, welches aus mehreren Stichleitungen 3 bis 5 und jeweils einer für mehrere aufeinander folgende Zylinder 6 zugedachten, gemeinsamen Sammelleitung 7 gebildet wird, uie Stichleitungen 3 bis 5, die die Verbindung zwischen Zylinder 6 und Sammelleitung 7 bilden, sind zusammen mit der Sammelleitung gleich oder annähernd gleich lang von der Ventilsitzöffnung 8 bis im Einlaßöffnung 12 ausgeführt, und sie sind an ihrem zur jeweiligen Ventilsitzöffnun^ 8 zugewandten Ende vorzugsweise mit drallbildenden Einlaßorganen 9 für die in den Zylinderraum 13 bzw. Brennraum einströmende Verbrennungsluft 10 ausgestattet. Um einen hohen
Liefergrad auch bei unterschiedlichen Drehzahlen der Brennkraftmaschine t zu erzielen, sind der Querschnitt der .Stichleitungen 3 bis 5 und der Querschnitt der sich an diesen anschließenden, gemeinsamen Sammelleitung 7 von der Ventilsitzöffnung 8 ab. also stromaufwärts, stetig erweitert, und zwar derart, daß dieser Querschnitt quadratisch mit zunehmendem Abstand von der Ventilsitzöffnung in dem Maß zunimmt, wie die zeitliche Einwirkung des Unterdruckes des saugenden Kolbens 11 mit zunehmendem Abstand von der Ventilsitzöffnung abnimmt.
Aufgrund durchgeführter Versuche hat sich eine Querschnittszunahme von der Ventilsitzöffnung 8 bis zur Einlaßöffnung 12 des Luftzuführungssystems 2. insbesondere des Ansaugleitungssystems, von I : 2 ergeben, was bedeutet, daß der Querschnitt an der Ventilsitzöffnung 8 etwa halb so groß wie der an der Einlaßöffnung 12 ist. Die Einlaßöffnung 12 der Sammelleitung 7 kann in einen, mehrere Sammelleitungen zusammenfassenden Behälter 14 münden oder selbst als Ansaug enden.
Die Wirkungsweise des Luftzuführiingssystems wird am Beispiel des Ansauglcitungssystems einer Hubkolben-Brennkraftmaschine wie folgt erläutert:
Der Kolben 11 erzeugt durch seinen Ansaughub einen Unterdruck im Zylinder 6. Wird das Einlaßventil, z. B. im oberen Totpunkt (OT) geöffnet und im unteren Totpunkt (UT) geschlossen, so wird dadurch im Luftzuführungssystem, z. B. im Ansaugleitungssystem 2 eine dynamische Unterdruckwelle ausgelöst. Diese Welle durchläuft das Ansaugleitungssystem 2 bzw. die jeweilige Stichleitung 3 oder 4 oder 5 und die daran sich anschließende Sammelleitung 7 mit Schallgeschwindigkeit und beschleunigt daher beispielsweise die im Bereich der Venlilsii/offnung 8 befindliche Luft
■' schneller als die im Bereich der Einlaßöffnung 12 der Sammelleitung 7 befindliche Luft. Die Strömungszeit bei offenem Einlaßventil wird daher im Ansaiigleitiingssystem 2 mit steigender Entfernung von der Ventilsitzöffnung 8 immer kurzer. Da aber die nach Schließen des
i" Einlaßventils, d. h. Einlaßschluß (ES), noch ankommende Luft weder für die Füllung, noch für die Ausbildung des Dralls der Luft im Zylinder 6 b/w. Brennraum 13 genutzt werden kann, wird erfindungsgemäß der kürzeren Einwirkungszeit auf die Luft mit steigendem
''< Abstand von der Ventilsit/öffnung 8 durch Vergrößerung der strömenden Menge mittels Querschnittserweiterung im Luftzuführungssystem b/v.. im Ansaugleitungssystcm 2 entgegengewirkt.
Ein Optimum für die Füllung und Drallordnung wird
-" erzielt, wenn der Querschnitt des Luttzuiuhrungssystems, insbesondere des Ansaugleitungssystems 2. mit dem Quadrat der dem betreffenden Querschnitt zugeordneten Abnahme der Einwirkungszeit zwischen dem Zeitpunkt des Wirksamwerdens des Ventilöff-
-'■· nungsimpulses an diesem Querschnitt und dem Ventilschließzeitpunkt erfolgt. Die Größe der Abnahme der Einwirkungszeit ist wiederum vom Abstand des jeweiligen Querschnittes am Luftzuführungssystem, d. h. Ansaug.'euungssystem 2. und der Ventilsitzöffnung 8
i" abhängig und somit auch für verschiedene Längen solcher Systeme aufgrund dieser Lehre festlegbar.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Luftzuführungssystem, insbesondere Ansaugleitungssystem, für aufeinanderfolgende Zylinder von Hubkolben-Brennkraftmaschinen, mit je Zylinder mindestens einer von einer Sammelleitung für einige zu einer Gruppe zusammengefaßte Zylinder ausgehenden Stichleitungen, die jeweils bis zur Ventilsitzöffnung des zugeordneten Zylinders führt, wobei die Stichleitungen unter sich zumindest annähernd '" gleiche Länge sowie im Bereich der jeweiligen Ventilsitzöffnung drallbildende Organe für die durch sie zu führenden Luftmassen aufweisen, der Querschnitt der Stichleitungen sich von den Ventilsitzöffnungen an stetig erweitert und die Strecken jeweils Η von der Ventilsitzöffnung über die Stichleitung und die Sammelleitung bis zu dem stromaufwärtigen Ende der Sammelleitung zumindest annähernd gleich sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Sammelleitung (7) sich von 2U ihrem Übergang in die Stichleitungen (3, 4, 5) an ebenfalls stetig erweitert und daß die Querschnittserweiterung von Stichleitungen und Sammelleitung mit dem Quadrat der dem betreffenden Querschnitt zugeordneten Abnahme der Einwirkungszeit zwisehen dem Zeitpunkt des Wirksamwerdens des Ventüöffnungsimpulses in diesem Querschnitt und dem Ventilschließzeitpunkt erfolgt.
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