DE2449370A1

DE2449370A1 - Luftverdichtende, direkt einspritzende achtzylinder-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2449370A1
Application number: DE19742449370
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dipl Ing Zuerner
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1974-10-17
Filing date: 1974-10-17
Publication date: 1976-04-22
Also published as: DE2449370B2; DE2449370C3

Description

fö/kr

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg
Aktiengesellschaft

Nürnberg, 9. Oktober 1974

Luftverdichtende, direkt einspritzende Achtzylinder-Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende, direkt einspritzende Achtzylinder-Brennkraftmaschine in V-Bauart, bei der die Zündungen in den einzelnen Zylindern einer Zylinderbank in unterschiedlichen Zeitabständen erfolgen und bei der jeweils mehrere Einlaßkanäle zu einem gemeinsamen Ansaugsammelrohr und jeweils mehrere Auslaßkanäle zu einem gemeinsamen Auslaßsammeirohr 'zusammengefaßt sind.

Bei Achtzylinder-V-Motoren ist der Gaswechsel, insbesondere wenn eine in zwei Ebenen gekröpfte Kurbelwelle Verwendung findet, gegenüber dem anderer Bauarten insofern benachteiligt, als die Zündfolgen innerhalb der beiden Zylinderbänke sehr ungleichmäßig sind. Die Benachteiligung mcj.cht sich auch bemerkbar, wenn man, wie es heute üblich ist, die Einlaßkanäle der Zylinder einer Zylinderbank zu einem gemeinsamen Ansaugsammelrohr und die Auslaßkanäle zu einem gemeinsamen Auslaßsammelrohr zusammenfaßt, weil sich die Zylinder hinsichtlich der Ansaug- und Auslaßzeiten zum Teil gegenseitig stark behindern, indem sie sich überschneiden.

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AIs Beispiel sei hierein Y-Motor mit einer Zündfolge 1-5-7_2-6-3-4-8 angeführt. Die Zylinder 1 bis 4 bilden die eine Zylinderbank, die Zylinder 5 bis 8 die zweite. Zündet nun Zylinder 1, so folgt nach 270° Kurbelwinkel Zylinder 2, nach 180° KW Zylinder 3, nach 90° KW Zylinder 4 und nach weiteren 180° KW wieder Zylinder 1. Geht man davon aus, daß bei Saugmotoren die Öffnungszeit eines Einlaßventils geringer als 270° KW ist, so erfolgt bei einem Zündabstand von 90° KW bereits eine erhebliche Überschneidung, durch die das Ansaugvolumen merklich verringert wird. Durch die zusätzliche Behinderung des Gasaustritts wird das Füllungsvermögen der Zylinder noch weiter verschlechtert, so daß die gesamten Betriebsdaten des Motors durchaus kein gutes Bild ergeben.

Um diesen Nachteil zu mindern, wurde bereits vorgeschlagen, die Einlaßkanäle und die Auslaßkanäle von jeweils zwei sich gegenseitig nicht behindernden Zylindern zu einem gemeinsamen Einlaß- bzw. Auslaßsammeirohr zusammenzufassen und diese Sammelrohre entsprechend abzustimmen. So könnten bei der genannten Zündfolge die Zylinder 1 und 3, 2 und 4, 5 und 6 sowie 7 und 8 zusammengefaßt werden. Bei einer derartigen Anordnung hat sich jedoch herausgestellt, daß im Auspuffsystem nur schwer beherrschbare und in bestimmten Drehzahlbereichen des Motors auftretende Zwischenschwingungen zustande kommen, durch die die Ausschubarbeit der Zylinder beeinträchtigt wird. Was das Einlaßsystem anbetrifft, so entsteht ebenfalls eine sehr ungleichmäßige Zündfolge zwischen den zusammengefaßten Zylindern, bei den Zylindern 1 und 3 beispielsweise 270° und 450° KW, was u.a. zu Störwellen führt. Außerdem wird in den Sammelrohren die Luftströmung immer wieder für einige Zeit unterbrochen, weil, wie bereits erwähnt, die Offnungsze.it eines Einlaßventils bei Saugmotoren im allgemeinen unter 270° KW liegt. Um die Luftsäule wieder in

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Bewegung zu setzen, ist ein unnötiger Energieaufwand durch den Kolben erforderlich, so daß eine wesentliche Verbesserung der Motordaten nicht erreicht wird.

Desweiteren wurde bereits vorgeschlagen, auf der Ansaugseite Einzelrohre vorzusehen, die gemeinsam aus einem großvolumigen Behälter saugen. Die Eigenschwingung der Luftsäulen in diesen Einzelrohren kann dabei so abgestimmt werden, daß über einen verhältnismäßig großen Drehzahlbereich gute Millungsverhältnisse erreicht werden und daß auch vor dem EinlaßschließZeitpunkt noch ein Druckgefälle vom Ansaugkanal zum Zylinder hin herrscht.

Hier muß es als nachteilig angesehen werden, daß die Einzelrohre bei optimaler Abstimmung sehr lang sein müssen und daher zusammen mit dem großvolumigen Behälter insbesondere im Fahrzeugbau nicht unterzubringen sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art einen neuen Weg zur Vermeidung der genannten Nachteile zu finden, d.h. ohne Beanspruchung eines großen Platzbedarfs den Liefergrad, die Kraftstoffverbrauchswerte und die Belastbarkeit des Motors an der Rauchgrenze zu verbessern.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei den sich während des Ansaug- und des Auslaßvorganges· gegenseitig nicht oder nur mäßig behindernden Zylindern einer Zylinderbank im Ansaugsystem und im Auslaßsystem wie an sich bekannt die Wirkung der Massenkraft der sich in Bewegung befindlichen Luft- bzw. Abgassäule, ggf. bei Vorverlegung des Schließzeitpunktes von Einlaßventilen, ausgenützt wird, und daß bei sich während des Ansaug- und Auslaßvorganges stark behindernden Zylindern in ebenfalls an sich bekannter Weise die in den einzelnen Systemen auftretenden Eigenschwingungen der Luft- bzw. Abgas- ■

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säulen nutzbar gemacht werden.

Hierzu wird vorgeschlagen, daß alle Einlaßkanäle und Auslaßkanäle von sich während des Ansaug- bzw. Ausschubvorganges gegenseitig nicht oder nur mäßig behindernden Zylindern einer Zylinderbank zu einem gemeinsamen Einlaßsammelrohr bzw. Auslaßsammelrohr zusammengefaßt sind, daß bei den während des Ansaugvorganges vom Ansaugvorgang eines folgenden Zylinders mäßig behinderten Zylindern der Schließzeitpunkt des Einlaßventils vorverlegt wird, daß die Einlaßkanäle von während des Ansaugvorganges vom Ansaugvorgang eines anderen Zylinders stark behinderten Zylindern jeweils mit separaten Einlaßrohren verbunden sind, deren Länge wie an sich bekannt derart bemessen ist, daß durch die Eigenschwingungen der Luftsäule vor dem EinlaßschließZeitpunkt ein Druckgefälle zwischen Ansaugkanal und Zylinder erzeugt wird, und daß die Auslaßkanäle und die Auslaßrohre in ihren Längen so abgestimmt sind, daß die abgeschwächten Druckwellen von zwei in ihrer Zündung kurz aufeinanderfolgenden Zylindern im oberen Totpunkt der vorher zündenden Zylinder bzw. im unteren Totpunkt der nachfolgend zündenden Zylinder zusammenfallen.

Im einzelnen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, nur die Einlaßkanäle von Zylindern einer Zylinderbank zu einem gemeinsamen Einlaßsammelrohr zusammenzufassen, bei denen der Zündabstand des Zündzeitpunktes zwischen 180° bis 270° KW liegt, wobei bei einem Abstand von 180° KW zusätzlich der Schließzeitpunkt des Einlaßventils des vorher zündenden Zylinders durch Abänderung der Nocken etwas vorverlegt werden soll, um die Überschneidung der Ansaugtakte möglichst klein zu halten. Erst bei einem Zündabstand von weniger als 180° KW, das sind im allgemeinen 90° KW, soll der Einlaßkanal ein separates Ansaugrohr erhalten. Die Schwingungen in der Luftsäule in diesem Ansaugrohr wer-

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den zum Erzeugen eines Druckgefälles zwischen Einlaßkanal und Zylinder im gegebenen Augenblick herangezogen. Was das Auslaßsystem anbetrifft, so behindern sich die Zylinder mit einem Zündabstand von 270° KW und auch mit 180° KW nicht in der Ausschubarbeit. Die Auslaßdruckschwingungen liegen im Gegenteil so, daß der ausschiebende Kolben zum Teil durch den Unterdruck im Auslaßkanal unterstützt wird, der bei entsprechend abgestimmter Länge des Auslaßsammeirohres durch die vom vorher gezündeten Zylinder ausgeschobene Abgassäule entsteht. Eine zum Teil hohe Restgasverdichtung kurz vor dem Auslaßschließzeitpunkt wirkt sich •auf den Gaswechsel nicht aus. Bei einem Zündabstand von beispielsweise 90° KW zwischen zwei Zylindern werden die Längen der Auslaßkanäle und -Rohre so abgestimmt, daß die abgeschwächte Druckwelle des zuletzt zündenden Zylinders erst im oberen Totpunkt des vorher gezündeten Zylinders 'bemerkbar wird, während die ebenfalls abgeschwächte Druckwelle des vorher gezündeten Zylinders den zuletzt gezündeten Zylinder im unteren Totpunkt erreicht und damit mit der Druckwelle des zuletzt gezündeten Zylinders zusammenfällt. Dies ist kein Nachteil, da zu diesem Zeitpunkt die Gasausströmung noch im überkritischen Geschwindigkeitsbereich erfolgt.

Einzelheiten der Erfindung können aus der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles entnommen werden. Es zeigen:

Pig. 1 eine schematische Darstellung eines Achtzylinder-Y-Motors mit den Ein- und Auslaßkanälen bzw. -Rohren nach der Erfindung,

Pig. 2 die Zündfolge eines Motors nach Pig. 1, wie sie üblich und dem Beispiel zugrunde gelegt ist,

Pig. 3 ein gemessenes Diagramm über den Druckverlauf in einer Zylinderbank.

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In Fig. 1 werden die Zylinder mit den Pos. 1 "bis 8 bezeichnet, von denen jeweils vier Zylinder in einer Zylinderbank 9» d.h.. in einer Reihe angeordnet sind. Jeder Zylinder 1 bis 8 weist einen Einlaßkanal 1a bis 8a und einen Auslaßkanal Tb bis 8b auf. Die Einlaßkanäle 1a, 2a und 3a sowie 5a, 6a und 8a münden jeweils in ein gemeinsames, in seiner Länge genau abgestimmtes Einlaßsammelrohr 10, welches seinerseits wiederum in je einem Ausgleichsbehälter 11 endet. Die Einlaßkanäle 4a bis 7a sind jeweils über ein separates, in seiner Länge ebenfalls abgestimmtes Einlaßrohr 12 mit den zugehörigen Ausgleichbehältern 11 verbunden. Auch die Auslaßkanäle 1b, 2b und 3b sowie 5b, 6b und 8b sind jeweils zu einem gemeinsamen Auslaßsammeirohr 13 zusammengefaßt, während die Auslaßkanäle 4b und 7b eigene Auslaßrohre 14 aufweisen. Das Auslaßsammelrohr 13 und das Auslaßrohr 14 einer Zylinderbank 9 mündet schließlich in einen gemeinsamen Auspuff 15.

Aus Fig. 2 ist eine bei Achtzylinder-V-Motoren übliche, bereits eingangs beispielsweise angenommene Zündfolge (Zylinder 1 bis 8) graphisch dargestellt, durch Verfolgung der Pfeile 16 lautet diese 1-5-7-2-6-3-4-8. Erfolgt bei jeder 90° Drehung der Kurbelwelle eine Zündung, so zündet der Zylinder 2 270° KW nach Zylinder 1, Zylinder 3 180° KW nach Zylinder 2 und Zylinder 4 90° KW nach Zylinder 3. Nachdem Zylinder 4 nicht an die Sammelrohre angeschlossen ist und Zylinder 1 270° KV/ nach Zylinder '3 zündet, so werden in diesen die Luftsäulen in einem Rhytmus von 270°/ 180°/ 270° KW bewegt.

Da bei schneilaufenden, freisaugenden Dieselmotoren die Einlaßeröffnungszeit allgemein unter 270° KW liegt, bleibt also die Strömung in den Sammelrohren weitgehend erhalten, die Kolben brauchen daher nicht unnötige Energie für das

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erneute Beschleunigen der Luftsäule aufwenden. Für die Zylinder 5 "bis 8 gilt sinngemäß das gleiche, so daß «;i oh eine weitere Beschreibung erübrigt.

In Pig. 3 sind die in den Zylindereinheiten 1 bis 4 auftretenden Drücke über jeweils 360° KW dargestellt. Die einzelnen Einheiten tragen daher die Pos. der Zylinder. UT bedeutet jeweils den unteren Kolbentotpunkt und OT den oberen Kolbentotpunkt, die angehängten Zahlen den jeweiligen Zylinder. Somit sind auf der Abszisse jeweils die Grad KW und auf der Ordinate der Druck, ausgehend von den den atmosphärischen Druck aufzeigenden Nullinie aufgetragen. Die mit Aö bezeichneten Strecken zeigen die Öffnungszeiten des jeweiligen Auslaßventils, die mit Eö bezeichneten Strecken die Öffnungszeiten des Einlaßventils auf, wobei zu bemerken ist, daß die Auslaßventile ca. KW vor UT öffnen und die Einlaßventile ca. 40° KW nach UT schließen. Da zwischen OT und UT ein Kurbelwinkel von 180° liegt, läßt sich erkennen, daß Zylinder 2 nach 270°, Zylinder 3 nach weiteren 180° und Zylinder 4 nach nochmals weiteren 90° KW in gleicher Ausgangsposition sind.

Schließlich zeigen die ausgezogenen Kurven 17 den Druck im jeweiligen Zylinder, die strichlierten Kurven 18 den Druck im Einlaßkanal und die punktierten Kurven 19 den Druck im jeweiligen Auslaßkanal auf.

Aus diesen Kurven geht vor allem hervor, daß das Einlaßsammelrohr derart abgestimmt ist, daß einer durch den Saughub eines Kolbens hervorgerufenen kräftigen Beschleunigung der Ansaugluft vor und kurz nach UT ein Stau folgt, so daß bis zum praktischen Schließzeitpunkt des Einlaßventils ein Druckgefälle zwischen Saugrohr und Zylinder besteht. Diese Forderung wird ausreichend bei den Zylindern 1 und 3 erfüllt, da der danach ansaugende Zylinder

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erst nach 270° KW folgt. Zylinder 2 ist in Pig. 3 etwas ■benachteiligt, da Zylinder 3 bereits nach 180° ICW folgt und ihm vor Einlaßschluß die Luft wegsaugt. Nach der Erfindung wird jedoch der Schließzeitpunkt des Einlaßventils von Zylinder 2 um ca. 10 bis 15° KW vorverlegt,-wodurch der Ausgleich geschaffen ist. Dieser Ausgleich wurde der besseren Erläuterung wegen in Fig. 3 nicht berücksichtigt. Im übrigen läßt sich aus Pig. 3 deutlich erkennen, daß während der Öffnungsdauer der Auslaßventile in den Auslaßkanälen durchwegs ein niedriger Druck als in den Zylindern herrscht und während der Öffnungsdauer der Einlaßventile der Druck in den Einlaßkanälen höher als in den Zylindern ist.

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Claims

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg
Aktiengesellschaft

Nürnberg, 9. Oktober 1974

Patentansprüche

1. Luftverdichtende, direkt einspritzende Achtzylinder-Brennkraftmaschine in V-Bauart, bei der die Zündungen in den einzelnen Zylindern einer Zylinderbank in unterschiedlichen Zeitabständen erfolgen und bei der jeweils mehrere Einlaßkanäle zu einem gemeinsamen Ansaugsammelrohr und jeweils mehrere Auslaßkanäle zu einem gemeinsamen Auslaßsammelrohr zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei den sich während des Ansaug- und des Auslaßvorganges gegenseitig nicht oder nur mäßig behindernden Zylindern einer Zylinderbank im Ansaugsystem und im Auslaßsystem wie an sich bekannt die Wirkung der Massenkraft der sich in Bewegung befindlichen Luft- bzw. Abgassäule, ggf. bei Vorverlegung des Schließzeitpunktes von Einlaßventilen, ausgenützt wird, und daß bei sich während des Ansaug- und Auslaßvorganges stark behindernden Zylindern in ebenfalls an sich bekannter Weise die in den einzelnen Systemen auftretenden Eigenschwingungen der luft- bzw. Abgassäulen nutzbar gemacht werden.

2. Aehtzylinder-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Einlaßkanäle (1a, 2a,

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3a; 5a, 6a, 8a) und Auslaßkanäle (1b, 2b, 3b; 5b, 6b, 8b) von sich während des Ansaug- bzw. Ausschubvorganges gegenseitig nicht oder nur mäßig behindernden Zylindern (1, 2, 3; 5, 6, 8) einer Zylinderbank (9) zu einem gemeinsamen Einlaßsammeirohr (10) bzw. Auslaßsammelrohr (13) zusammengefaßt sind, daß bei den während des Ansaugvorganges vom Ansaugvorgang eines folgenden Zylinders (3) mäßig behinderten Zylindern (2) der Schließzeitpunkt des Einlaßventils vorverlegt wird, daß die Einlaßkanäle (4a, 7a) von während des Ansaugvorganges vom Ansaugvorgang eines anderen Zylinders (3, 6) stark behinderten Zylindern (4, 7) jeweils mit separaten Einlaßrohren (12) verbunden sind, deren Länge wie an sich bekannt derart bemessen ist, daß durch die Eigenschwingungen der Luftsäule vor dem Einlaßschließzeitpunkt ein Druckgefälle zwischen Ansaugkanal (4a, 7a) und Zylinder (4, 7) erzeugt wird, und daß die Auslaßkanäle (4b, 7b) und die Auslaßrohre (14) in ihren Längen so abgestimmt sind, daß die abgeschwächten Druckwellen von zwei in ihrer Zündung kurz aufeinanderfolgenden Zylindern (3, 4; 5, 7) im oberen Totpunkt der vorher zündenden Zylinder (3, 5) bzw. im unteren Totpunkt der nachfolgend zündenden Zylinder (4,

7) zusammenfallen.

Achtzylinder-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Einlaßkanäle (1a, 2a, 3a; 5a, 6a, 8a) von Zylindern (1, 2, 3; 5, 6,

8) einer Zylinderbank (9) zu einem gemeinsamen Einlaßsammelrohr (10) zusammengefaßt werden, bei denen der Abstand des Zündzeitpunktes zwischen 180° und 270° K¥ liegt, und daß bei einem Abstand von 180° KW zwischen zwei Zylindern (2, 3) der Schließzeitpunkt des Einlaßventils des vorher zündenden Zylinders (2) vorverlegt wird.

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4. Achtzylinder-Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5 j dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorverlegung des Schließzeitpunktes für ein Einlaßventil der üblich vorgesehene Nocken verkürzt wird.

5. Achtzylinder-Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Einlaß-' kanäle (4ä, 7a) von Zylindern (4, 7) einer Zylinderbank (9) mit einem separaten Einlaßrohr (12) verbunden sind, bei denen der Abstand des Zündzeitpunktes vom vorher zündenden Zylinder kleiner als 180° KW, insbesondere 90° KW ist.

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