DE2245732C2

DE2245732C2 - Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung

Info

Publication number: DE2245732C2
Application number: DE2245732A
Authority: DE
Inventors: Imre Dipl.-Ing. Annus; Imre Dipl.-Ing. Cser; Sandor Dipl.-Ing. Florian; György Dipl.-Ing. Dr. Budapest Horvath
Original assignee: AUTOIPARI KUTATO INTEZET BUDAPEST HU; CSEPEL AUTOGYAR SZIGETHALOM HU; Autoipari Kutato Intezet Budapest; Csepel Autogyar Szigethalom
Current assignee: Autoipari Kutato es Fejleszto Vallalat
Priority date: 1971-09-28
Filing date: 1972-09-18
Publication date: 1982-11-18
Also published as: FI53238C; NL7212890A; TR17674A; BR7206702D0; FI53238B; FR2155327A5; CH558875A; CA963272A; SU539541A4; SE392149B; JPS4872509A; IT967941B; ATA837471A; AT330506B; GB1400059A; DE2245732A1; JPS572892B2; BE789389A; ES407052A1; CS161062B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs, wie sie aus der DE-OS 19 35 155 zu entnehmen ist, bei der die Abgasturboaufladung durch eine dynamische Aufladung ergänzt wird.

Die nützliche Leistung eines Verbrennungskolbenmotors hängt in großem Maße von der vom Motor eingesaugten Luftmenge ab, die zu der Verbrennung benützt wird. Die von den periodisch arbeitenden Kolbenmotoren eingesaugte Luftmenge bzw. das Luft-Brennstoff-Gemisch ist aber beschränkt. Die Beschränkung ergibt sich aus den Strömungswiderständen, die während des Ansaugens entstehen.

Die Auffüllung des Zylinders kann mit 1 lilfe verschiedener Vorrichtungen und Verfahren verbessert werden. Durch diese Vorrichtungen und Verfahren kann sogar eine größere Luftmenge in den Zylinder eingeführt «.erden als bei einem idealen, ohne Strömungsverlust lui intonierenden Zylinder.

Eine A.uffüllungsmöglichkeit der Brennkraftmaschine bedeutet die Ausnützung der periodischen Saugwirkung der Kolben. Während der Saugwirkung entsteht nämlich eine instationäre Gasströmung in dem Saugleitungssystem b?w. eine. Gasschwingung. Die Schwingungsenergie wird dann zu dem Auffüllen der Zylinder benüt/t Diese Methode ist in der Praxis als dynamische Aufladung bekannt.

In stärkerem Maße als vorstehend beschrieben kann die durch den Motor atigesaugte Luft- oderLuft-Brennstoff-Gemischrrienge erhöht werden, wenn der Motor die Luft nicht unmittelbar aus der umgebenden Atmosphäre ansaugt, sondern wenn die Auffüllung seiner Zylinder durch eine besondere Vorrichtung, den sogenannten Aufiader erfolgt, Letzterer ist bekanntlich Kompressor, der die Umgebungsluft verdichtet und sie mit entsprechend großem Druck in den Zylinder des Motors drückt. Mit einer derartigen Hilfseinrichtung, dem Auflader, versehene Brennkraftmaschinen werden als Motoren mit Aufladung bezeichnet
Die zum Antrieb der Aufiader erforderliche Leistung muß der Motor bereitstellen, und deshalb treten in den letzten Jahren hauptsächlich aus Wirtschaftlichkeitsgründen immer mehr die durch eine von den Motorauspuffgasen angetriebene Gasturbine betätigten Aufiader, die sogenannten Turbo-Lader in den Vordergrund.

Bei den Motoren mit Turboaufladung saugt der Kompressor des Turboladers die Luft aus der umgebenden Atmosphäre evtl. durch ein Luftfilter an, und drückt sie dann unter einem hohen Druck evtl. bereits mit dem

is Kraftstoff zusammen durch das Einlaß/Saugrohr/ System des Motors und das Einlaßventil oder den Einlaßschlitz in den Zylinder des Motors.

Die Menge der im Verlaufe der Ansaugperiode den Zylindern des Motors zugeführten Luft oder des Luft-Brennstoff-Gemisches ist neben den Abmessungen und Kennwerten des Motors in erster Linie von den Abmessungen und der Ausbildung des Turboladers und der Energie der die Turbine des Turboladers antreibenden Abgase abhängig. Aus diesem Grunde ist ein Motor mit

2=> Turboaufladung mit dem Turbolader sorgfältig abzustimmen, damit d;2 dem Motor zugeiührte und mengenmäßig erhöhte Luft- oder Luft-Brennstoff-Gemischzufuhr den Betriebsverhältnissen des Motors entspricht. Die gegenseitige Abstimmung des Motors und des Turboladers <s>t in einzelnen Fällen, z. B. bei stationärem oder Schiffsbetrieb, bei denen der Motor für lange Zeit mit konstanter Belastung und Drehzahl läuft, eine verhältnismäßig einfache und gut erfüllbare Aufgabe.

Ein wesentlich ungünstigeres Anwendungsbeispiel bedeutet bei Motoren mit Turboaufladung der Straßenfahrzeugbetrieb. In letzterem Fall verändern sich nämlich Belastung und Drehzahl des Motors zwischen ziemlich weiten Grenzen, wozu noch die durch den Betrieb der Straßenfahrzeuge hervorgerufenen !läufig sehr schnellen Änderungen der Belastung und Drehzahl hinzukommen. Da der Kolbenmotor und der Turbolader nach zwei vollständig unterschiedlichen Prinzipien arbeitende Maschinen sind - die eine eine volumetrische, die durch Verwirklichung des Verdrängungsprinzips, die andere eine Rotationsmaschine, die durch Verwirklichung des Turboprinzips arbeitet - konnten Motor und Turbolader auf Grund unserer bisherigen Erkenntnisse auf gleichzeitig mehrere voneinander wesentlich unterschiedliche Betriebszustände und deren schnelle Änderungen nicht mehr günstig abgestimmt werden.

Das allgemeine Merkmal dieser Erscheinung liegt darin, daß der Turbolader bei Erhöhung dor Motordrehzahl eine immer größere Aufladung liefert und sich nicht an die durch den Motor erreichbare und durch das Fahrzeug bedingte Forderung nach einem elastischen Drehmoment anpaßt. So kann z. B. ein Turbolader, der den Motor im Bereich seiner Nenndrehzahl, d. h. seiner

so Höchstbetriebsdrehzahl günstig auffüllt, bei den dem Höchstdrehmoment des Motors entsprechenden oder diese unterschreitenden Drehzahlen, Wie dies aus der Praxis bekannt ist, nunmehr eine unausreichende Wirkung ausüben, so daß sich daraus ein unelastischer, ein geringes Drehmoment und eine ungünstige Dynamik aufweisender Motor ergibt. Wird hingegen der Turbolader so ausgelegt, daß er eben bei den letzteren, niedrigeren Motofdrehzahlen die entsprechende Aufladung

bietet, so treten bei den Höchstbetriebsdrehzahlen des Motors übertriebene Beanspruchungen auf, die sowohl für den Motor als auch den Turbolader schädlich sind und diese evtl. auch zerstören können.

Aus der DE-OS 19 35 155 ist es auch bereits bekannt, die Turboaufladung, die auf die Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine ausgelegt ist, durch eine dynamische Aufladung zu ergänzen, die im unteren Drehzahlbereich am wirksamsten ist. Dadurch werden die Aufladung der Zylinder auch im unteren Drehzahlbereich, wo die Turboaufladung noch ziemlich wirkungslos ist, wesentlich erhöht sowie die Leistung und Elastizität der Brennkraftmaschine verbessert und auch die bei der Beschleunigung aufiretende Rauchbildung auf einen Mindestwert herabgesetzt.

Bereits in der DE-OS 19 35 155 wird davon ausgegangen, daß durch eine entsprechende Auslegung des die Zylinder mit dem Turbolader verbindenden Saugleitungssystems in diesem eine bedeutende Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemischmenge aufgespeichert ist, wodurch jeder Kolben des Motors zu Beginn der Ansaugperiode die im Saugleitungssystem befindliche Luft bzw. das dort befindliche Luft-Brennstoff-Gemisch beschleunigt und so eine bedeutende Erhöhung der kinetischen Energie bewirkt. Diese periodische Erhöhung der kinetischen Energie erzeugt Schwingungen der im Saugleitungssystem befindlichen und eine ausreichend große Trägheit aufweisenden Luft- oder Luft-Brennstoff-Gemischmenge, mit dem Ergebnis, daß vor dem Einlaßventil oder dem Einlaßschlitz des eben ansaugenden Zylinders im Einlaßkanal in der zweiten Hälfte der Ansaugperiode ein großer Überdruck aufgebaut wird. Infolge des Überdruckes wird in den betreffenden Zylinder die frische Luft oder das Luft-Brennstoff-Gemisch in erhöhtem Maße eingepreßt, wodurch auch die Zylinderfüllung bedeutend ansteigt. Dies hat zur Folge, daß der Auffüllungsgrad - die Wirksamkeit der Aufladung - ohne eine wesentlichere Beanspruchung des Turboladers unter Einwirkung der schwingungsbr dingten augenblicklichen Überdrücke im Vergleich zu den Motoren, die nur mit Turboaufladung arbeiten, um 10 bis 30% ansteigt.

Unter anderen Ausführungsformen wird in der DE-OS 19 35 155 zur speziellen Auslegung des Saugleitungssystems vorgeschlagen, daß die Einlaßventile bzw. -schlitze einej Zylinders bzw. einer G.uppe von höchstens vier Zylindern, deren Saugperioden sich gegenseitig entweder nicht oder nur unbedeutend überdecken, durch Saugkanäle an einen Resonanzbehälter angeschlossen sind, an den mindestens ein Resonanzrohr angeschlossen ist, welches unmittelbar bzw. durch Ausgleichsbehälter und Verbindungsrohre mit der Druckseitc des Turboladers verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform hat es sich jedoch herausgestellt, daß zwar eine wesentliche Verbesserung der Aufladung im gesamten Drehzahlbereich durch Überlagerung derauf niedrige Drehzahlen ausgelegten dynamischen Aufladung mit der auf Nenndrehzahl abgestimmten Turboaufladung erreicht werden kann, daß jedoch bei irgendwelcher Abstimmung des Saugleitungssystems auf Resonanz in dem gewünschten unteren Drehzahl· bereich einerseits unerwünschte Schwankungen des Drehmomentes mit der Drehzahl bis zürn Erreichen der Nenndrehzahl auftreten und andererseits bei der unteren Drehzahl und aufgrund der Überlagerung der dyriamischen Aufladung mit der Turboaufladung auch bei der Nenndrehzahl unzulässige Spitzendrücke in den Zylindern auftreten können und der Resonanzbereich, in dem die dynamische Aufladung die gewünschte Verbesserung erbringt, doch noch verhältnismäßig klein ist, so daß bei Drehzahlen, die erheblich außerhalb der Resonanzstelle liegen, keine Leistungsverbesserung auftritt. Dies wirkt sich insbesondere bei Straßenfahrzeugen ungünstig aus, da diese jn weiten Drehzahlbereichen optimal arbeiten müssen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, das zwischen dem Kolbenmotor und der Abgasturboaufladungseinrichtung vorhandene bekannte Saugleitungssystem so zu verbessern, daß eine Verbesserung des Motorfüllungsgrades und ein höheres Drehmoment auch außerhalb der Resonanzstelle des Mehrfachansaugsystems erreicht wird, um dadurch eine lückenlose Erhöhung des Drehmoments in einem breiteren Drehzahlbereich, möglicherweise im ganzen Betriebsdrehzahlbereich, ohne zu hohe Belastungen der Maschine zu erhalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Volumen jedes Resonanzbehälters größer ist als die Hälfte des Gesamthubvolumens üi_r an den Resonanzbehälter angeschlossenen Zylinder, jeuoch kleiner als das Zehnfache dieses Hubvolumens, daß die Länge des Resonanzrohres größer als das Achtfache seines Innendurchmessers ist, und daß die Saugkanäle eine geringere Länge als L = 1500/η haben, wobei L die Länge des Saugkanals, gemessen in Metern, und η die Nenndrehzahl des Motors in Umdrehungen pro Minute bedeuten. Dabei ist mit der Länge dec Saugkanals die Länge der Mittellinie des Saugkanals zwischen Ansaugöffnung des Zylinders und Auslaßöffnung des Resonanzbehälters gemeint.

Wenn das Volumen des Resonanzbehälters höchstens das Zehnfache des Gesamthubvolumens der an diesem Behälter angeschlossenen Zylinder beträgt und die Länge des Resonanzrohres größer als das Achtfache seines Innendurchmessers ist, ergibt sich als wesentlicher Vorteil der durch die periodische Saugwirkung des Zylinders auftretenden Erregung eine verhältnismäßig große Änderung des Druckes im Resonanzbehälter. Diese Druckänderungen führen wegen der Masse und der hohen Geschwindigkeit der in dem Resonanzrohr strömenden Luftsäule zu Druckschwingungen mit hohen Amplituden, und zwar im ganzen Betriebsdrehzahlbereich. Diese Druckschwingungen entstehen in einer solchen Phasenlage, daß die positiven Halbwellen im Saugkanal vor dem Schließen des Einlaßventils im wesentlichen alle den Zylinder erreichen.

Wäre das Volumen kleiner als der ermittelte Grenzwert und/oder die Länge des den Resonanzbehälter mit der Säugöffnung des Zylinders verbindenden Saugkanals grölter als 1500//J; dann würden im Mehrfachsystem gleichzeitig mit der Resonanzaufladung Saugrohrauf.aduiigswirkungen auftreten, weiche eine sprunghafte Erhöhung der Verluste mit sich bringen und dadurch die Wirkung der Resonanzaufladung vermindern. Bei einem den unteren Grenzwert unterschreitenden Volumen geht nämlich die Resonanzbehältereigenschaft verloren, was bedeutet, daß das Luftvolumen im Resonanzbehälter im Verhältnis zum Luftvolumen des Resonanzrohres dann keine viel größere Kompressibilität mehr aufweist. Falls die zwischen den Rcsönanzbehältern und den Saugöffnungen befindlichen Saugkanäle länger als 1500/η wären, würde die in den Verbindungsrohren strömenc'?· Luftsäule von der Kolbenbewegung in unerwünschter Weise unmittelbar erregt.

Durch die vorstehend angeführten Maßverhältnisse wird erreicht, daß die Wirksamkeit der durch die dyna-

mische Aufladung ergänzten Abgasturboladung so erhöht wird, daß der Luftaufwand des Dieselmotors beim Höchstdrehmoment um etwa 30% gesteigert wird und die zum Höchstdrehmoment gehörende Drehzahl erheblich verringert wird.

Es wird bemerkt, daß es auch nach den Vorschlägen der DE-OS 19 35 155 auf eine bestimmte Grenze der Saugkanallänge ankommt. Dort ist diese Länge des Saugkanals zwischen dem Einlaßventil und einem Sammelbehälter größer als iGOOVn.

Durch zahlreiche Messungen wurde festgestellt, daß die Spitzendruckwerte der Verbrennung im Bereich der Nenndrehzahl kleiner sind als jene, die im mit Abgasturboauflader allein aufgefüllten Zylinder auftreten. Die Minderung kann auch 10 bis 20% erreichen. Dieser is Effekt entsteht dadurch, daß das die dynamische Aufladung ermöglichende Saugleitungssystem ein Ansaugen beim Abgasturbolader hervorruft. Wegen dieses Ansaugens wird der Gegendruck hinter dem Abgasturboauflader geringer und auch die Temperatur der Aufladeluft sinke·. Dies hat zur Folge, daß eine größere Luftmenge mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck den Zylinder des Motors füllt. Die Kompression beginnt also bei niedrigen Druck- und Temperaturverhältnissen und deswegen werden auch die Spitzendruckwerte der Verbrennung niedriger. Als Resultat ergibt sich eine niedrige mechanische und thermische Belastung des Motors.

Ein Ausführungsbeispiel einer KolbenbrennKraftmaschine mit der beschriebenen Anordnung wird anhand der Zeichnungen nachstehend näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen 6-ZyIinder-Dieselmotor mit Turboaufladung im Schnitt,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht des Motors gemäß Fig. 1.

Im Zylinder 1 des dargestellten und mit einem Saugleitungssystem arbeitenden 6-Zylinder-Dieselmotors läuft ein Kolben 2. Im Zylinderkopf 3 ist der Auslaßkanal 4 angeordnet, an den sich das Auspuffrohr 5 w anschließt. Im Zylinderkopf3 ist fernerauch das Einlaßventil 6 angeordnet. Der damit in Verbindung stehende Saugkanal 7, 8 ist zum Teil im Zylinderkopf 3, zum Teil als angekoppeltes Verbindungsstück zwischen dem Zylinderkopf 3 und einem Resonanzbehälter 9 ausgebildet.

Der Resonanzbehälter 9 kann selbstverständlich auch direkt an den Zylinderkopf 3 angekoppelt sein. Der dargestellte Kolbenmotor besitzt demgemäß ein Einlaß- und ein Auslaßventil je Zylinder. Versieht man die sechs Zylinder des Motors mit einer laufenden Numerierung, beginnend beim Schwungrad 18, so ergibt sich die Zünd- und demgemäß auch die Ansaugfolge der Zylinder des Motors zu I-V-ΠΙ-νΐ-Π-Γν. Aus der üblichen Arbeitsweise des Motors herrührend, folgen die Zylinder I, ΠΤ und II sowie die Zylinder V, VI und IV einander in der Arbeitsweise mit einem Kurbelwinkel von 240°. Dieser Winkelwert stimmt praktisch mit dem Öffnungswinkel der zu den einzelnen Zylindern gehörenden Einlaßventile überein. Deshalb sind die Ansaugperioden der einzelnen Zylinder sowohl bei der aus den Zylindern I, Ii und III, als auch bei der aus den Zylindern IV, V und VI bestehenden Zylindergruppe aufeinanderfolgend angeordnet, d. h. ihre Ansaugperioden überdecken einander entweder überhaupt nicht oder nur in einem geringen Maße. Die Saugkanäle der Zylinder I, Π und III gehören demgemäß zu den sich nach Ansaugperioden gegenseitig in bedeutendem Maße nicht überdeckenden Zylindern und münden so in einen gemeinsamen Resonanzbehälter, nämlich in den Resonanzbehälter 9. In ähnlicher Weise sind die zu den Zylindern IV, V und Vl gehörenden Saugkanäle ebenso an einen gemeinsamen Resonanzbehälter 10 angeschlossen. An den Resonanzbehälter9 ist das Reso^ nanzrohr 11, an den Resönanzbehältef 10 ist das Reso* nanzrohr 12 angeschlossen. Die Resonanzrohre münden in den gemeinsamen Ausgleichsbehälter 13. Der Ausgleichsbehälter 13 ist durch das Verbinuurigsrohr 14 mit dem Abgasturbolader 15 verbunden. An einer mit dem Kompressor 16 des Abgasturboladers 15 gemeinsamen Welle ist die Turbine 17 angeordnet, an die das Auspuffrohr 5 angeschlossen ist.

Die Abgase des Motors erreichen, das Auspuffrohrs durchströmend, die Turbine 17 und setzen diese in Umlauf. Die durch die Turbine strömenden Abgase gelangen durch die Öffnung 17α in die freie Atmosphäre oder in eine in den Zeichnungen nicht dargestellte Auspuffrohrleitung.

Der Kompressor 16 des Abgasturboladers saugt durch die Öffnung 16a unmittelbar oder durch ein nicht dargestelltes Luftfilter aus der Atmosphäre Luft an und drückt sie in das Verbindungsrohr 14. Die Luft strömt aus dem Verbindungsrohr 14 in den Ausgleichsbehälter 13, wo sie sich in zwei Teile teilt und durch die ResonanzroHre 11 und 12, die Resonanzbehälter 9 und 10 und dann durch die Saugkanäle zu den Zylindern strömt. Unter Einwirkung des periodischen Ansaugens der Zylinder erfolgen sowohl im Resonanzbehälter 9 als auch im Resonanzbehälter 10 periodische Druckänderungen, die zum Teil die im Resonanzrohr 11, zum Teil die im Resonanzrohr 12 strömende Luftsäule zum Schwingen bringen.

Bei einer von der Motorbauart und der Einstellung des ^bgasturboladers abhängigen entsprechend niedrigen Motordrehzahl, bei der der Luftliefergrad des Abgasturboaufladers nicht ausreicht, entsteht eine Resonanz, die mit der Saugperiode übereinstimmt. Durch diese Resonanz wird das im Saugleitungssystem befindliche Gas in Schwingung versetzt. Die Schwingungsenergie sichert eine dynamische Aufladung bei niedrigen Motordrehzahlen. Wird die Motordrehzahl bis zu der Nenndrehzahl erhöht, Fällt die Intensität der Gasschwingungen ab. Bei der Nenndrehzahl des Motors erfolgt die Aufladung also nur mehr durch den Abgasturboauflader.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung, die durch eine dynamische Aufladung ergänzt wird, die im Saugleitungssystem infolge von durch periodisches Ansaugen der Zylinder auftretenden Gasschwingungen entsteht, und bei der die Einlaßventile bzw. -schlitze eines Zylinders bzw. einer Gruppe von höchstens vier Zylindern, deren Saugperioden sich gegenseitig entweder nicht oder nur unbedeutend überdecken, durch Saugkanäle an einen Resonanzbehälter angeschlossen sind, an den mindestens ein Resonanzrohr angeschlossen ist, welches unmittelbar bzw. durch Ausgleichsbehälter und Verbindungsrohre mit der Druckseite des Turboladers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen jedes Resonanzbehälters (9, 10) größe·· ist als die Hälfte des Gesamthubvolumens der an den Resonanzbehälter angeschlossenen Zylinder, jedoch kleiner als das Zehnfache dieses Gesamthubvolumens, daß die Länge des Resonanzrohres (11, 12) größer als das Achtfache seines Innendurchmessers ist und daß die Saugkanäle (7,8) eine geringere Länge als L = 15007η haben, wobei L die Länge des Saugkanals, gemessen in Meter, und η die Nenndrehzahl des Motors in Umdrehungen pro Minute bedeutet.