DE2831889A1 - Verfahren und einrichtung zum aufladen einer mehrzylindrigen kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum aufladen einer mehrzylindrigen kolbenbrennkraftmaschine

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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Description

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Verfahren und Einrichtung zum Aufladen einer mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine . .
Die Erfindung betrifft· ein Verfahren zum Aufladen einer mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine gemäss Oberbegriff des Patentanspruches. Sie betrifft ebenfalls eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei die Aufladung mittels einem Druckwellentauscher erfolgt.
Es ist bekannt, zur Leistungssteigerung von Kolbenbrennkraftmaschinen die angesaugte Frischluft durch einen Laders meistens einen Turbolader, dessen Verdichter von einer Turbine angetrieben wird, wozu die Energie der Auspuffgase der'Kolbenbrennkraftmaschine verwendet wird, unter höheren Druck zu setzen. Aufgrund der Charakteristiken vom Verdichter- und Turbinenrad dieser sogenannten Abgasturbolader ist die Druckerhöhung am grössten bei hohen Betriebsdrehzahlen der Kolbenbrennkraftmaschine. Daraus resultiert ein für den Fährbetrieb von Fahrzeugen ungünstiger Drehmomentenverlauf in Funktion der Motordrehzahl sowie sehr hohe Spitzendrücke bei hohen Betriebsdrehzahlen.
Es ist bereits vorgeschlagen worden (DE-PS 1 935 155) diesen ungünstigen Verlauf zu korrigieren durch Kombination von Abgasturbolader mit einem Einlassleitungssystem des Motors, welches derart ausgelegt ist, dass die Pulsationen . der von den Ansaugtakten angefachten Frischgassäule bei niederen Drehzahlen der Kolbenbrennkraftmaschine mit der Anfachung in Resonanz stehen.
Es ist weiterhin bekannt, dass Kolbenbrennkraftmaschinen, welche mittels einer Druckwellenmaschine aufgeladen werden, in welcher die Frischgase unmittelbar von den aus den ,
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Zylindern ausströmenden Abgasen in Zellen von einem in der Regel mit der Kurbelwelle der Kolbenbrennkraftmaschine drehverbundenen Zellenrad komprimiert werden, den Nachteil der abgasturboaufgeladenen Motoren nicht aufweisen. Eine Korrektür der Drehmomentenkurve ist demnach nicht notwendig, weshalb die Kombination eines Druckwellenladers mit einem speziell für einen bestimmten Drehzahlbereich, insbesondere für niedrige Drehzahlen,auf Resonanz der Frischgassäulenpulsationen ausgelegten Einlasssystems des Motors bisher als unnütze Komplikation angesehen wurde.
Druckwellenmaschinen neigen im oberen Vollastdrehzahlbereich des Motors zu einer Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades, was durch die hohe Luftentnahme des Motors aus dem Aufladeaggregat bedingt ist. Die Verschlechterung des Ge-Samtwirkungsgrades einer Auflademaschine hat eine Erhöhung der Spitzendrücke in den Motorzylindern zur Folge.
Der Rotor der Druckwellenmaschine ist üblicherweise über einen Riemenantrieb mit festem Uebersetzungsverhältnis mit der Kurbelwelle gekoppelt. Es ist bekannt, dass zum Beispiel über die Drehzahlregelung der Druckwellenmaschine oder mit einem variablen Uebersetzungsverhältnis zwischen Druckwellenrotor und Motorkurbelwelle eine bessere Anpassung gefunden werden kann. Diese Massnahme verschiebt jedoch lediglich den optimalen Wirkungsgrad des Druckwellenladers in einen anderen Motordrehzahlbereich.
Der im Kennzeichen des Patentanspruchs gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Luftdurchsatz durch den Motor im oberen Drehzahlbereich zu reduzieren, um die vorgenannten Nachteile vermeiden zu können.
Der besondere Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass
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überraschenderweise eine solche Kombination eine Verminderung des spezifischen Brennstoffverbrauches bei Motornenndrehzahl hervorbringt. Mit einem gleichfalls auf niedrige Motordrehzahlen ausgelegten Resonanzsystem beträgt die Verbesserung bis zu 5 ^.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann die Ladeluft vor dem Eintritt in die Brennkraftmaschine gekühlt werden, wozu als Kühlmittel entweder Kühlwasser der Brennkraftmaschine oder Spülluft der Druckwellenmaschine verwendet werden kann.
Es empfiehlt sich ferner, dass bei Motoren, bei welchen Ein- und Auslassventile auf der gleichen Motorseite angeordnet sind, auch die Druckwellenmaschine und das Mehrfachsystem auf einer gleichen Motorseite angeordnet werden.
Eine besonders kompakte Anordnung ergibt sich, wenn der Luftfilter, die Druckwellenmaschine, das Mehrfachsystem und der Ladeluftkühler als bauliche Einheit ausgebildet werden. . - '' ' "
2Ό In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht wiedergegeben.
Es zeigt:
Fig. 1 das Prinzipschema einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine erste Abwandlung der Anordnung gemäss Fig. 1, Fig. 3 eine zweite Abwandlung der Anordnung gemäss Fig. 1,
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Pig. 4 eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung,
Fig. 5 eine Abwandlung der Anordnung gemäss Fig. 4.
Die in Fig. 1 mit 19 bezeichnete Kolbenbrennkraftmaschine ist ein mit einem Saugrohrsystem arbeitender Sechszylinder-Dieselmotor. Er besitzt ein Einlass- und ein Auslassventil je Zylinder. Versieht man die sechs Zylinder des Viertakt-Motors mit einer laufenden Numerierung, so ergibt sich die Zünd- und demgemäss auch die Ansaugfolge der Zylinder von einem Kurbenwellenverdrehungswinkel von 240°. Es folgen die Zylinder 1, 3 und 2, sowie die Zylinder 5S 6 und 4 einander in der Zündung. Dieser Winkelwert stimmt praktisch mit dem Oeffnungswinkel der zu den einzelnen Zylindern gehörenden nicht dargestellten Einlassventile überein.
Deshalb sind die Ansaugperioden der einzelnen Zylinder sowohl bei der aus den Zylindern 1, 2 und 3, als auch bei der aus den Zylindern 4, 5 und 6 bestehenden Zylindergruppe aufeinanderfolgend angeordnet, d.h. ihre Ansaugperioden überdecken einander entweder überhaupt nicht oder nur in einem geringen Masse. Die Saugkanäle I1, 2', und 3' der Zylinder 1, 2 und 3 sind demgemäss zu den sich nach Ansaugperioden gegenseitig nicht oder nur wenig überdeckenden Zylindern gehörende Saugkanäle und münden erfindungsgemäss in ein gemeinsames Resonanzvolumen 9'· In ähnlicher Weise sind die zu den Zylindern 4, 5 und 6 gehörenden Saugkanäle 4', 5' und 61 ebenso an ein gemeinsames Resonanzvolumen 9 angeschlossen. An das Resonanzvolumen 9' ist ein Resonanzrohr 8', an das Resonanzvolumen 9 das Resonanzrohr 8 angeschlossen, welche beide in einen gemeinsamen Ausgleichbehälter 11 münden. Dieser Ausgleichbehälter 11 ist durch die Ladeluftleitung 14 mit dem Druckstutzen der Frischgasseite der Druckwellenmaschine 10 verbunden.
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Die Dimensionen der Resonanzvolumen 9, 9' und der•Resonanzrohre 8j 81 sind folgendermassen festgelegt; Das jeweilige ResonanzvoIumen ist grosser als das Gesamtvolumen, jedoch kleiner als das zweifache Gesamtvolumen der mit ihm verbundenen Zylinder. Der Durchmesser des Resonanzrohres ist grosser als das 0,012-fache, jedoch kleiner als das 0s017-fache des Ausdruckes l/V -ilI, worin V„ das Gesamthubvolumen der an einem Resonanzvolumen angeschlossenen Zylinder und n^ die Motornenndrehzahl ist. Hierbei wird unter Durchmesser der Durchmesser eines Kreises verstanden, dessen Fläche gleich der des Durchströmquerschnittes des Resonanzrohres 8 bzw. 8! ist.
Aus den Aüslasskanälen 1" bis 6" strömt das Abgas des Motors nach Ausgleich von Druckänderungen im Sammelrohr 15 dem Rotor der Druckwellenmaschine 10 zu. Hier gibt es über Druckwellen Energie an die Luft in den nicht bezeichneten Zellen des Rotors ab und verlässt die Maschine in Richtung 21 zum nicht dargestellten Auspuff. Bei 20 angesaugte. Frischluft, die während der Drehung des Zellenrotors im Druckwellenzyklus komprimiert wird, gelangt durch die ■■ Ladeluftleitung 14 in den Ausgleichbehälter 11 und von dort über das eigentliche Resonanz- oder Mehrfachsystem 7S bestehend aus den Resonanzrohren'8, 8' und den Resonanzvolumen 9, 9' zum Motor 19. In Fig. 1 nicht dargestellt ist der Antrieb des Zellenrotors der Druckwellenmaschine 10 zur kontinuierlichen Steuerung des Druckwellenprozesses, der auf einfache Weise über Keilriemen erfolgen kann. Das Funktionsprinzip der Druckwellenmaschine ist an sich bekannt und kann der Druckschrift Nr. CH-T 123 O63 der BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. entnommen werden.
Die Wirkungsweise der Erfindung ist folgende:
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Erfindungsgemäss ist im oberen Drehzahlbereich des Motors die erzwungene Luftschwingung mit der Anregung nicht mehr in Phase, sondern phasenverschoben. Die Eigenschwingungsfrequenz der Resonatoren stimmt mit der Erregerfrequenz (Ansaugperioden der Kolben) einer Drehzahl des Motors im unteren Drehzahlbereich überein und bewirkt dort, obwohl nicht angestrebt, aber auch nicht störend, eine gewisse Erhöhung der Zylinderfüllung; das Resonanzsystem wird so ausgelegt, dass die Druckamplituden im Resonanzfall so klein wie möglich sind.
Erfindungsgemäss wird die Phasenverschiebung der Luftschwingung im oberen Drehzahlbereich ausgenützt, um den Luftdurchsatz durch den Motor, sowie den Treibstoffverbrauch und den Spitzendruck im Zylinder zu reduzieren.
Durch Druckmessungen im Resonanzvolumen 8, 81 und in den Zylindern des Motors konnte gezeigt werden, dass sich die Verstimmung der Luftschwingung so äussert, dass in der eigentlichen Saugphase des Kolbens ein Ueberdruck im Resonanzvolumen gegenüber dem Ausgleichvolumen 11 von ca.
0,2 bar auftritt. Im Bereich des unteren Totpunktes resultiert ein Unterdruck gegenüber dem Ausgleichsvolumen 11 von ca. 0,2 bar. Dadurch wird die aus dem Resonanzvolumen in den Zylinder einströmende Verbrennungsluftmenge reduziert. Die Gaswechselarbeit wird nicht erhöht, sondern ebenfalls reduziert, da erfindungsgemäss in der Ansaugphase im Bereiche der grössten Kolbengeschwxndigkeit Ueberdruck im Resonanzvolumen auftritt. In der Zeit, wo Unterdruck in diesem herrscht, geht der Kolben durch den unteren Totpunkt, d.h. die Kolbengeschwxndigkeit geht durch den Nullpunkt.
Bedingt durch den ansaugseitigen Ueberdruck im Resonanz-
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volumen während der eigentlichen Saugphase und die Phasenverschiebung der Druckamplituden im Resonator im oberen Drehzahlbereich wird die Spülluftmenge während der Ventilüberschneidungsperiode vergrössert. Die daraus resultierende geringere Gasmenge im Zylinder bewirkt eine Senkung des maximalen Zylinderdruckes, die zur mechanischen und thermischen Entlastung des Motors beiträgt.
Es konnte nachgewiesen werden, dass nach dem Einbaudes erfindungsgemässen Mehrfachsystems die Spitzendrücke im oberen Motordrehzahlbereich bei gleicher Leistungseinstellung wie am Motor mit einfachem Ladeluftsammler um bis zu 10 bar reduziert werden konnten. Ebenso trat eine Verbesserung des spezifischen TreibstoffVerbrauches bis ca. 5 ? auf.
Aus· der deutschen Offenlegungsschrift 2 649 389 ist es bekannt, die der Druckwellenmaschine entströmende Ladeluft in der Ladeluftleitung zu kühlen. Im Zusammenhang mit der Erfindung gilt die in Fig. 1 dargestellte Kühlart, bei welcher ein Ladeluftkühler 12"' im Ausgleichsbehälter 11 untergebracht ist, als besonders vorteilhaft. Kühlmittelseitig wird der Kühler 12"' von Spülluft beaufschlagt, welche vor Eintritt in die Druckwellenmaschine 10 von der angesaugten Frischluft bei 18 abgezweigt wird. Aufgabe und Funktionsweise dieser Spülluft in der Druckwellenmaschine sind in der zitierten deutschen Offenlegungsschrift beschrieben. Selbstverständlich könnte ein derartiger Ladeluftkühler ebensogut in den Resonanzvolumen 9, 9' oder um die.Resonanzrohre 8, 8! angeordnet sein·oder aber kühlmittelseitig an den Kühlwasserkreislauf den Motors angeschlossen werden.
Derartige Lösungen sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt, welehe Ausschnitte aus der Fig. 1 darstellen und wobei die gleichen Elemente mit denselben Bezugszahlen versehen sind.
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Fig. 2 zeigt eine Anordnung 3 bei welcher der Ladeluftkühler 12' aus zwei Wärmetauscher-Elementen besteht, die in den Resonanzvolumen S3 9T untergebracht sind und parallel mit Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf des Motors versorgt sind.
Gemäss Fig. 3 besteht der Ladeluftkühler 12" aus Kühlschlangen, welche um die Resonanzrohre 8, 8' geschlungen sind und wie in Fig. 2 aus dem Kühlkreislauf des Motors beaufschlagt werden.
Die Ladeluftleitung von mit einer Druckwellenmaschine aufgeladenen Motoren beinhaltet in der Regel als Startvorrichtung eine Luftklappe, die beim Anspringen des Motors geschlossen gehalten wird und., erst beim Ueberschreiten der Leerlaufdrehzahl nach dem Anlassvorgang während der ganzen Laufzeit des Motors, also auch bei erneutem Leerlaufbetrieb bis zum Abstellen des Motors geöffnet bleibt. Bei geschlossener Klappe
Motor
saugt der'über eine mit der Atmosphäre verbundenen Bypassvorrichtung zur Klappe Luft an. Als besonders günstige Lösung, kann gemäss Fig. 1 die lediglich schematisch und ohne Stell-'gerät dargestellte Startvorrichtung 22 am Eingang des Ausgleichsbehälters 11 angeordnet sein.
In Fig. 4 ist die Ladeeinrichtung bei einem Motor gezeigt, bei welchem Ein- und Auslassventile auf der gleichen Motor-' seite angeordnet sind. Die Druckwellenmaschine ist über einen Keilriemenantrieb 17 mit der Kurbelwelle des Motors. ' * drehverbunden und ist mit ihren wesentlichen Teilen Gas- gehäuse 10', Luftgehäuse 10" und Zellenrad 10"' dargestellt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmedien ist mit Pfeilen bezeichnet; die Bezugszeichen der einzelnen Elemente entsprechen jenen in Fig. 1.
Eine weitere Fortbildung der Einrichtung nach Fig. 4 ist in
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- 13-
Fig. 5 gezeigt, in welcher ein Luftfilter 13 und ein Ladeluftkühler 12"f im Ausgleichbehälter 11 zusammen mit den anderen Teilen der Ladeeinrichtung eine kompakte bauliche Einheit bilden, welche auf nur einer Motorseite untergebracht ist.
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Claims (18)

  1. BBC Aktiengesellschaft und Akti^nges-eil^chaft -· 99/78 Brown, Boveri "& Cie. ADOLPH SAURER I8.7.1978
    Baden (Schweiz) Arbon (Schweiz) OQQIgflQ Ke/dh
    Pat entansppü.che
    \l) Verfahren zum Aufladen einer mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine mit in weiten Grenzen veränderlichen Betriebsdrehzahlen j beispielsweise für den Antrieb von Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass Frischgas, wie an sich bekannt, von einer Druckwellenmaschine, in --welcher das Frischgas unmittelbar von den aus den Zylindern der Brennkraftmaschine ausströmenden Auspuffgasen verdichtet wird, in das stromaufwärts der Brennkraftmaschine angeordnete Einlass-System gefördert wird, welches derart ausgelegt ist, dass die periodischen Ansaugtakte der Brennkraftmaschine Druckschwingungen in der Frischgassäule anfachen, welche bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine in Resonanz mit den anfachenden Ansaugtakten treten.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei niedrigen Motordrehzahlen eine verhältnismässig erhöhte, bei Motornenndrehzahl eine verhältnismässig verminderte Luftmenge in die Brennkraftmaschine gefördert wird.
  3. 3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft vor dem Eintritt in die Brennkraftmaschine gekühlt wird. - . "
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft durch in die Druckwellenmaschine eintretende Spülluft gekühlt wird.
  5. 5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An-
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    ORIGINAL INSPECTED
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    spruch 1, wobei die Aufladung mittels einem Druckwellentauscher erfolgt, indem die Frischgase unmittelbar von den aus den Zylindern ausströmenden Auspuffgasen in dem Zellenrad der Druckwellenmaschine komprimiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass, wie an sich bekannt, ein Resonanzsystem (7) für die von den Ansaugtakten der Kolbenbrennkraftmaschine (19) in Pulsation versetzte Frischgassäule im Einlass-System zwischen Druckwellenmaschine (10) und den Einlass-Ventilen eingebaut ist, wobei wie an sich bekannt, die Eigenfrequenz des Resonanzsystems (7) auf die niederen Drehzahlen der Kolbenbrennkraftmaschine (19) verlegt ist.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonanzsystem (7) wie an sich bekannt als Mehrfachsystem mit mindestens einem Resonanzrohr (8, 8') und mindestens einem Resonanzvolumen (9, 9') ausgebildet ist und dass das stromabwärts nach dem Resonanzrohr (8, 8') angeordnete Resonanzvolumen (9, 9') grosser als das Gesamthubvolumen, jedoch kleiner als das zweifache Gesamthubvolumen der mit dem Resonanzvolumen (9S 9') verbundenen Zylinder (6, 53 ^ resp. 33 2, 1) ist.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Resonanzrohres grosser als das 0,012-fache, jedoch kleiner als das 0,017-fache des Ausdruckes „ · n.T ist, worin V11 das Gesamthubvolumen der an einem
    ii JN π
    Resonanzvolumen angeschlossenen Zylinder und nH die Motornenndrehzahl ist.
  8. 8. Einrichtung nach Anspruch 73 dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrfachsystem derart dimensioniert ist, dass der Drehzahlbereich, in welchem die Lufteigenschwingungsfre-
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    BBC Baden/SAURER,Arbon .:. '-" '--" : : ".."
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    quenz mit der Anregung durch die Ansaugfrequenz der Zylinder in Resonanz steht, zwischen 0,4 und 0,6 der. Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine liegt.
  9. 9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von mehreren Resonanzvolumen O3 9') zwischen der Druckwellenmaschine (10) und dem Mehrfachsystem (7) ein Ausgleichvolumen (11) angeordnet ist.
  10. 10. Einrichtung nach Anspruch 6 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladeluftkühler (12) innerhalb oder unmittelbar vor dem Mehrfachsystem angeordnet ist.
  11. 11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (12') im Resonanzvolumen untergebracht ist.
  12. 12. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (12") in Form einer Kühlschlange um das Resonanzrohr geschlungen ist.
  13. 13. Einrichtung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (12"') im Ausgleichsvolumen untergebracht ist.
  14. Ik. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (12') kühlmittelseitig mit dem Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden ist. " ■
  15. 15. Einrichtung nach Anspruch 10 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
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    -ltLadeluftkühler (12™ ) kühlmittelseitig mit dem Spüllufteingang der Druckwellenmaschine verbunden ist,
  16. 16. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die für den Kaltstart der Brennkraftmaschine erforderliche , an sich bekannte Startvorrichtung der Druckwellenmaschine im Ausgleichsbehälter untergebracht ist.
  17. 17· Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Brennkraftmaschinen mit Ein- und Auslasssystem auf gleicher Maschinenseite die Druckwellenmaschine und das Mehrfachsystem auf einer gleichen Maschinenseite angeordnet sind.
  18. 18. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der unerlässliche Luftfilter (20), die Druckwellenmaschine (10), das Mehrfachsystem (7) und der Ladeluftkühler (12) als bauliche Einheit ausgebildet und auf nur einer Seite der Brennkraftmaschine untergebracht sind.
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