DE2753799C2

DE2753799C2 - Turbogeladener Verbrennungsmotor mit Brennstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE2753799C2
Application number: DE2753799A
Authority: DE
Inventors: Imre Dipl.-Ing. Budapest Annus
Original assignee: AUTOIPARI KUTATO INTEZET BUDAPEST HU
Current assignee: AUTOIPARI KUTATO INTEZET BUDAPEST HU
Priority date: 1976-12-03
Filing date: 1977-12-02
Publication date: 1985-09-19
Also published as: HU179402B; GB1577599A; FR2372968A1; FR2372968B1; IT1097729B; CH631239A5; SE437402B; JPS53102413A; DE2753799A1; SE7713323L

Description

Die Erfindung betrifft einen turbogeladenen Verbrennungsmotor mit Brennstoffeinspritzung, insbesondere Dieselmotor, der in der zwischen dem Turbokompressor des Turboladers und der Ansaugöffnung der Zylinder befindlichen Frischluftleitung ein Ablaßventil für die Frischluft aufweist.

Ein bekannter Nachteil turbogeladener Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, besteht darin, daß die Fördercharakteristik des Turboladers hinsichtlich des Luftbedarfes des Verbrennungsmotors ungünstig ist. Wird der Turbolader derart ausgelegt, daß er den Verbrennungsmotor im Bereich seiner Nenndrehzahl günstig aufladet, so kann er bei den dem Höchstdrehmoment des Motors entsprechenden oder dieses unterschreitenden Drehzahlen nur eine unzureichende Wirkung ausüben, so daß sich daraus ein eine ungünstige Dynamik aufweisender Motor ergibt. Es ist auch bekannt (DE-OS 24 42 151, 19 27 484, 21 54 726), den Turbolader so auszulegen, daß er auch bei niedrigen Motordrehzahlen eine Aufladung erbringt. Diese Auslegung zwingt jedoch zur Vermeidung zu hoher Beanspruchungen im Bereich der Höchstbetriebsdrehzahl zum Abblasen von Ladeluft, was bei den bekannten Ausführungen durch Überdruckventile bewerkstelligt wird. Bei einer in gleicher Weise arbeitenden bekannten Ausführung (DE-OS 19 !6374), bei welcher ebenfalls zur Vermeidung einer Überlastung Ladeluft abgeblasen wird, ist die Einstellung derart getroffen, daß das Abblasen erst dann erfolgt, wenn der Ladedruck 10% des Nennladedruckes überschreitet Abgesehen davon, daß das Ab- blasen von Ladeluft eine Wirkungsgradverringerung bedeutet besteht bei den bekannten Ausführungen, bei denen der Turbolader bereits bei niedrigen Motordreh zahlen eine Aufladung erbringt der Nachteil, daß bei niedrigen Motordrehzahlen die von dem Turbolader ge förderte Luftmenge den Bedarf überschreitet

Aufgabe der Erfindung ist es, einen turbogeladenen Verbrennungsmotor der einleitend genannten Art derart auszuführen, daß die Luftzufuhr viel besser mit dem Luftbedarf des Motors in Einklang gebracht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die von dem Turbolader gelieferte Frischluftmenge dem Frischluftbedarf des Motors bei Vollast und bei der Haltte der Nenndrehzahl gleich oder annähernd gleich ist und in dem erwähnten Drehzahlbereich das Druckverhältnis des Turbokompressors sich dem zulässigen maximalen, durch den zulässigen maximalen Brennspitzer druck begrenzten Überladungsdruck nähert, daß die innerhalb des Nenndrehzahlbereiches des Motors gelieferte Luftmenge den Frischluftbedarf des Motors höchstens um 6 bis 10% überschreitet und daß die Druckleitung des Turbokompressors an einen Sammelbehälter angeschlossen ist der über ein Resonanzrohr an einen Resonanzbehälter angeschlossen ist, welcher mit dem Saugkanal von drei, höchstens vier Zylindem, deren Saugperioden einander in unwesentlichem Maße überdecken, verbunden ist und daß die Resonanzfrequenz des Frischluftsystems mit derjenigen Motordrehzahl abgestimmt ist, bei der der zulässige Wert des maximalen Brennspitzendrucks ohne die Anwendung einer Resonanzaufladung nicht erreicht werden kann, und daß das in der Frischluftleitung angeordnete, automatisch regelnde, den Überladungsdruck von dem Resonanzbehälter wahrnehmende, au^den Sammelbehälter angeordnete Ablaßventil auf den zulässigen ma-

ximalen Überladungsdruck eingestellt ist

Durch die Erfindung ist ein turbogeladener Verbrennungsmotor geschaffen, der im gesamten Betriebsdrehzahlbereich bis zum zulässigen maximalen Brennspitzendruck optimal arbeitet. Ein solcher Motor kann demgemäß nicht nur im Bereich der Nenndrehzahl, sondern auch bei anderen Drehzahlen bis zu der Grenze belastet werden, die durch die mechanischen und thermodynamischen Gegebenheiten vorgegeben ist. Turbogeladene Verbrennungsmotoren gemäß der Erfindung eignen sich insbesondere zum Einsatz unter Hochgebirgsverhältnissen. Bei einem derartigen Einsatz ist es besonders wichtig, daß das Drehmoment des Motors gerade in den Bereichen niedriger Drehzahlen bei zunehmender Höhe nicht abnimmt, was durch die Erfindung gewährleistet ist. Ein weiterer Vorteil eines turbogeladenen Verbrennungsmotors gemäß der Erfindung besteht darin, daß für einen gegebenen Motor ein kleinerer, billigerer und leichterer Turbolader angewendet werden kann. Hieraus ergibt sich der weitere Vorteil, daß der Turbolader bei Änderung der Motordrehzahl, beispielsweise bei Beschleunigung, den sich ändernden Betriebsverhältnissen des Motors bzw. dem sich ändernden Frischluftbedarf viel besser zu folgen imstande ist, wodurch sich

bessere Verbrennung und damit ein Abgas mit niedrigerem Schadstoffgehalt ergibt, insbesondere mit niedrigerem Rußgehalt im Fall von Dieselmotoren.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußelement des automatisch regelnden Ablaßventils mit Federkraft belastet ist und dessen öffnungsquerscnnitt mit dem Verschiebeweg des Verschlußelementes linear proportional ist

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert Es zeigt

F i g. 1 das Anordnungsschema eines Sechszylindermotors mit dynamische Saugrohraufladung und Resonanzbehältern,

F i g. 2 das die Luftmenge regelnde Ventil,

F i g. 3 die Verzögerung der Turbolader mit unterschiedlichen Charakteristiken bei der Beschleunigung des Dieselmotors,

F i g. 4 die Gestaltung des durch die Turbolader mit unterschiedlichen Charakteristiken hervorgerufenen Luftüberschußfaktors bei der Beschleunigung,

F i g. 5 die Gestaltung der durch die Turbolader mit unterschiedlichen Charakteristiken hervorgerufenen Abgaserscheinung bei der Beschleunigung.

F i g. 1 veranschaulicht die schematische Anordnung eines Sechszylinder-Dieselmotors mit Turbolaufladung. Die Zylinder I-VI des Motors 1 sind in Reihe angeordnet, die Ansaugleitungen 19 sind über Sammelbehälter 16 an die gemeinsame Druckleitung 3 angeschlossen, an welches sich der Druckrohrstutzen 6 des Turbokompressors S anschließt.

Die Auspuffleitungen 7 der Zylinder I-VI sind mit einem Auspuffrohr 8 verbunden, welches an den Eintrittsstutzen 10 der Abgasturbine 9 angeschlossen ist. Die Rotoren des Turbokompressors 5 und der Abgasturbine 9 sind auf einef gemeinsamen Welle montiert und bilden den eine Einheit darstellenden Turbolader 11. Vor der Luftansaugleitung 12 des Turbokompressors 5 ist der hier nicht dargestellte Luftfilter angeordnet An die Austrittsöffnung der Abgasturbine 9 ist das Auspuffrohr 13 angeschlossen. In der gemeinsamen Druckleitung 3 ist ein Ablaßventil 14 vorgesehen, dessen Aufbau in F i g. 2 dargestellt ist. Zur Abführung der durch das Ablaßventil 14 aus der gemeinsamen Druckleitung 3 ausgelassenen Luft in das Auspuffrohr 13 ist zwischen den beiden eine Verbindungsleitung 15 angeordnet. Das Ablaßventil 14 ist als ein Druckbegrenzungsventil ausgestaltet, das das Überschreiten des eingestellten maximalen Druckes durch Auslassen des Luftüberschusses verhindert Der Turbolader 11 wird zu dem Motor 1 so ausgewählt und die beiden werden derart miteinander abgestimmt, daß dieser für einen Fahrzeugmotor für den Straßenverkehr in einem weiten Drehzahlbereich geeignet ist und das möglichst größte Drehmoment erreicht werden kann. Um das gesetzte Ziel erreichen zu können, wird bei dem Motor 1 der zulässige maximale Brennspitzendruck in dem möglichst größten Drehzahlbereich angestrebt und dementsprechend der Turbolader 11 so gewählt, daß der Turbokompressor 5 bei niedriger Drehzahl eine genügende Luftmenge fördern kann, bei höheren Drehzahlen bzw. bei der maximalen Nenndrehzahl des Motors jedoch die Förderung einer Luftmenge, die den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors wesentlich herabsetzt, vermieden wird.

Bei dem beschriebenen Beispiel beträgt die maximale Drehzahl eines Lastkraftwagenmotors mit 101 Zylinderrauminhalt 2200 U/min. Das maximale Moment des in der bekannten Weise aufgeladenen Motors tritt bei 1600 U/min auf; innerhalb eines Drehzahlenbereiches zwischen 1400 und 1800 U/min ist das Moment annähernd konstant

Im Sinne der Erfindung wird ein Turbolader gewählt, bei dem das zulässige maximale Druckverhältnis und dadurch das maximale Moment bereits bei 1200 U/min erreicht wird. Das Ablaßventil 14 öffnet bei etwa 1600 U/min und hält den zulässigen maximalen Aufladungsdruck in der gemeinsamen Druckleitung 3 aufrecht Bei der Nenndrehzahl des Motors, bei der das Ablaßventil 14 die größte Druckluftmenge durchläßt, beträgt die ausgelassene Luftmenge 8% der durch den Turbokompressor 5 geförderten Luftmenge. Diese Luftmenge wird über die Verbindungsleitung 15 in das Auspuffrohr 13 weitergeleitet, wodurch die Rauchwerte des Motors verbessert werden.

Das gesetzte Ziel — das Erreichen des zulässigen maximalen Brennspitzendruckes innerhalb eines weiten Drehzahlbereiches des Motors — kann nur zwischen gewissen Grenzen erreicht werden, wobei diese Beschränkung auf die von der Drehzahl abhängige Größe der mechanischen Verluste und des Ladungsaustausches zurückgeführt werden kann.

Durch die Ausführung gemäß F i g. 1 ist die Kompensation der Ungleichmäßigkeiten von dem erwähnten Charakter dadurch möglich, daß das Saugsystem zu einer Resonanzaufladung geeignet ausgestaltet wird und der wirksamste Aufladungs-Drehzahlbereich auf den zu kompensierenden Drehzahlbereich eingestellt wird. Das Resonanzaufladungs-Verfahren und die zur Durchführung geeignete Vorrichtung ist in der ungarischen Patentschrift 1 61 323 beschrieben (das konforme US-Patent: 37 96 048, Nr. der konformen DE-AS: 19 35 155).

Um die maximale Belastungsfähigkeit des in dem vorherbeschriebenen Beispiel geschilderten Dieselmotors erreichen zu können, wird die höchste Resonanzaufladung auf einen Drehzahlbereich zwischen 1300 und 1500 U/min eingestellt.

In der Vorrichtung ist der Turbokompressor 5 über die Rohrleitung 15 mit dem Sammelbehälter 16 verbunden, der mit je einem an je drei Zylinder über die Ansaugleitungen 19 angeschlossenen Resonanzbehälter 18 unter Zwischenschaltung je eines Resonanzrohrs 17 verbunden ist.

Innerhalb des Drehzahlbereiches zwischen 200 und 400 U/min wird die Aufladungswirksamkeit dann erreicht, wenn der Rauminhalt des Resonanzbehälters 18 das Doppelte des Rauminhaltes der angeschlossenen drei Zylinder, und die Länge des Resonanzrohres 17 das Neunfache des Durchmessers beträgt. An einem gemeinsamen Resonanzbehälter 18 können ausschließlich solche Zylinder angeschlossen werden, deren Ansaugperioden einander nicht im wesentlichen Maße überdecken. Das Ablaßventil 14, welches das Überschreiten des eingestellten Druckwertes (des Grenzwertes) durch Auslassen des Luftüberschusses verhindert, ist an dem Sammelbehälter 16 angeordnet, wobei die ausgelassene Luft durch die Verbindungsleitung 15 in die hinter der Abgasturbine 9 liegende Strecke des Auspuffrohres 13 geführt wird. Das Ablaßventil 14 ist in F i g. 2 im Schnitt dargestellt. Ein Anschlußstutzen 21 des Ventilgehäuses 20 ist in den Sammelbehälter 16 eingeschraubt und die Verbindungsleitung 15 ist an einen Anschlußstutzen 22 angeschlossen. Ein das Verschlußelement des Ablaßventils 14 darstellender Kolben 23 ist mit einer Feder 24 belastet, und ein Federteller 24a stützt sich auf einer Stellschraube 25 ab. Der Kolben 23 ist gestuft ausgestal-

tet, und eine Ringfläche 26 ist in einem Druckraum 27 angeordnet, wobei der letztere über einen Kanal 28 mit dem Sammelbehälter 16 verbunden ist. Die Druckschwankung des Ablaßventils 14 beträgt 0,02 kp/cm², von der der Einlaßdruck bzw. der Schließdruck nur um den Wert 0,03 kp/cm² abweicht.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Ausführung können in erster Linie dort beobachtet werden, wo die Drehzahl des Motors sich oft ändert und die Abgaseigenschaften des Motors von besonderer Bedeutung sind. In der Hinsicht der Abgasbildung ist die Beschleunigung unter Belastung die am meisten kritische Erscheinung bei Dieselmotoren mit Turboaufladung, da bei der Beschleunigung die Verzögerung des Turboladers gegenüber der Erhöhung der Motordrehzahl die Rauchtendenz fördert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Drehzahländerung des dem Motor angepaßten, gegenüber den üblichen Ausführungen kleineren Turboladers den Änderungen der Motordrehzahl besser folgen, wodurch der Luftüberschußfaktor des Motors verbessert und die Raucherscheinung verringert werden kann.

Das in F i g. 3 dargestellte Diagramm stellt die Änderung der Drehzahl des Turboladers bei Beschleunigung in der Abhängigkeit der Zeit dar, wobei »n« die Drehzahl des Turboladers im Prozentsatz des statischen Betriebszustandes und

r die Zeit,

die Kurve »a« die Drehzahländerung des Turboladers eines in bekannter Weise aufgeladenen Dieselmotors,

die Kurve »b«

die Drehzahländerung des Turboladers eines erfindungsgemäß aufgeladenen Dieselmotors und

die Kurve »m«

die Drehzahländerung des Dieselmotors

bezeichnen.

F i g. 4 zeigt die Gestaltung des Luftüberschußfaktors χ in Abhängigkeit der Zeit bei der veränderlichen Motordrehzahl gemäß F i g. 3, wobei die Buchstabenbezeichnungen dieselben sind.

F i g. 5 zeigt die Rauchzahl in Abhängigkeit der Zeit (die Buchstabenbezeichnungen gemäß F i g. 2).

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung kann die Luftrückkühlung in bekannter Weise günstig angewendet werden, die eine weitere Erhöhung des Motormomentes innerhalb eines bedeutend höheren Drehzahlbereiches ermöglicht Der Rückkühler wird zweckmäßig zwischen den Ansaugleitungen der Zylinder und dem Ablaßventil angeordnet

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

55

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Claims

Patentansprüche:

1. Turbogeladener Verbrennungsmotor mit Brennstoffeinspritzung, insbesondere Dieselmotor, der in der zwischen dem Turbokompressor des Turboladers und der Ansaugöffnung der Zylinder befindlichen Frischluftleitung ein Ablaßventil für die Frischluft aufweist dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Turbolader (11) gelieferte Frischluftmenge dem Frischluftbedarf des Motors bei Vollast und bei der Hälfte der Nem.drehzahl gleich oder annähernd gleich ist und in dem erwähnten Drehzahlbereich das Druckverhältnis des Turbokompressors (5) sich dem zulässigen maximalen, durch den zulässigen maximalen Brennspitzendruck begrenzten Oberladungsdruck nähert, daß die innerhalb des Nenndrehzahlbereiches des Motors gelieferte Luftmenge den Frischluftbedarf des Motors (1) höchstens um 6—10% überschreitet, und daß die Druckleitung (3) des Turbokompressors (5) an einen Sammelbehälter (16) angeschlossen ist, der über ein Resonanzrohr (17) an einen Resonanzbehälter (18) angeschlossen ist, welcher mit dem Saugkanal (19) von drei, höchstens vier Zylindern (I —III bzw. IV— VI), deren Saugperioden einander in unwesentlichem Maße überdecken, verbunden ist, und daß die Resonanzfrequenz des Frischluftsystems mit derjenigen Motordrehzahl abgestimmt ist, bei der der zulässige Wert des maximalen Brennspitzendruckes ohne die Anwendung einer Resonanzaufladung nicht erreicht werden kann, und daß das in der Frischluftleitung angeordnete, automatisch regelnde, den Überladungsdruck von dem Resonanzbehälter wahrnehmende, auf den Sammelbehälter angeordnete Ablaßventil (14) auf den zulässigen maximalen Überladungsdruck eingestellt ist.

2. Turbogeladener Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußelement (23) des automatisch regelnden Ablaßventils (14) mit Federkraft belastet ist und dessen Öffnungsquerschnitt mit dem Verschiebeweg des Verschlußelementes (23) linear proportional ist.