DE2950667A1

DE2950667A1 - Verfahren zur dynamischen zusatzaufladung von abgasturboladermotoren und abgasturboladermotor mit mindestens einer einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2950667A1
Application number: DE19792950667
Authority: DE
Inventors: Attila Dr. Baden Aargau Horvath
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1979-11-22
Filing date: 1979-12-15
Publication date: 1981-06-04
Also published as: JPS5685521A

Description

Verfahren zur dynamischen Zusatzaufladung von Abgasturboladermotoren und Abgasturboladermotor mit mindestens einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur dynamischen Zusatzaufladung von Abgasturboladermotoren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen Abgasturboladermotor mit mindestens einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

Die Bestrebungen, den Kraftstoffverbrauch insbesondere von Fahrzeugmotoren zu senken und auch im unteren Drehzahlbereich ein möglichst hohes Drehmoment zu erzielen, haben in jüngster Zeit vermehrt zur Anwendung von aufgeladenen Motoren geführt. Wenn es sich dabei um Abgasturbolader handelt, so besteht hiebei das Problem der Anpassung seiner Liefercharakteristik an den Luftbedarf des Motors über den ganzen Leistungsbereich.

Zwecks maximaler Ausnutzung des Verdichters über den ganzen Drehzahlbereich des Motors müsste man ihn möglichst nahe seiner Pumpgrenze arbeiten lassen, da er normalerweise in diesem Bereich mit dem höchsten Wirkungsgrad arbeitet. Dies gilt besonders für den unteren Drehzahlbereich, wo es daher wegen des durch die Ansaugvorgänge des Motors pulsierenden

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Gegendruckes nach dem Verdichter zeitweise zum Pumpen kommen kann, was den Wirkungsgrad der Aufladung verschlechtert. Im oberen Drehzahlbereich besteht diese Gefahr im allgemeinen nicht, da die Zirkulationsänderung an der Radbeschaufelung den dort herrschenden hohen Frequenzen nicht folgen kann.

Zwecks Verbesserung der Aufladung in diesem Drehzahlbereich wurden Resonanzaufladeverfahren entwickelt, die in dieser Beziehung Abhilfe brachten, jedoch mit grösserem baulichen Aufwand verbunden sind.

3eim heutzutage hauptsächlich angewandten Resonanzaufladeverfahren nach Cser besteht die dafür erforderliche Einrichtung aus einem oder mehreren, sorgfältig auf den jeweiligen Motor abgestimmten, zwischen den Motorzylindern bzw. einer Gruppe derselben und dem Turbolader zugeordneten Helmholtz-Resonatorsystemen, bei denen der Turbolader durch einen Beruhigungsbehälter vom Schwingsystem abgekoppelt ist. Unter einem Helmholtz-Resonatorsystem ist in diesem Zusammenhang ein System zu verstehen, das aus einem Behälter mit einem in diesen einmündenden Rohr besteht, dessen Volumen im Verhältnis zum Behältervolumen klein ist. Durch das von den Ansaugvorgängen der einzelnen Kolben induzierte periodische Eindringen der Luftsäule durch das genannte Rohr in den Behälter werden periodische Druckschwankungen erzeugt, die zum Aufladen des jeweils geöffneten Zylinders der dem betreffenden Resonatorsystem zugeordneten Zylindergruppe ausgenutzt werden. Bei diesem Verfahren ist also der Verdichter des Turboladers vom pneumatischen Schwingsystem abgekoppelt und die Durchströmung des Verdichters daher im wesentlichen stationär. Die zur Resonanzaufladung erforderliche Energie wird

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dabei allein durch die Ansaugtakte der Kolben erzeugt.

Diese und ähnliche bekannte Einrichtungen zur dynamischen Zusatzaufladung bringen zwar in einem gewissen Drehzahlbereich beiderseits der Resonanzdrehzahl eine Verbesserung der Füllung, doch ist auch hier wegen der pulsierenden Schlucklinie des Motors ein nicht zu kleiner Abstand von der Pumpgrenze einzuhalten, um ein Pumpen und damit eine ernsthafte Verschlechterung des Wirkungsgrades mit Sicherheit zu vermeiden. Hinzu kommt ein nicht unbeträchtlicher baulicher Aufwand und Platzbedarf, so dass solche Einrichtungen sich bisher nur bei Lastwagen, Autobussen und Sportwagenmotoren durchsetzen konnten.

Mit der vorliegenden, in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 2 definierten Erfindung sollen diese Nachteile der bekannten Verfahren bzw. Einrichtungen für dynamische Zusatzaufladung vermieden werden.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachfolgend näher beschrieben. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 ein typisches Turboverdichterkennfeld mit einer typischen Vollastmotorschlucklinie und die

Fig. 2 und 3 Verbrennungsmotoren mit zwei Ausführungsbeispielen der erfindungsgemässen Einrichtung.

In Fig. 1 stellt die strichlierte linke Grenzlinie die Pumpgrenze 1 eines typischen Turboladerverdichters dar. Die etwa

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parallel zu dieser Pumpgrenze 1 verlaufende, voll ausgezogene Linie ist die Vollastmotorschlucklinie 2 des von diesem Verdichter aufgeladenen Motors. Die Kurven 3 stellen die Liefercharakteristiken des Verdichters für verschiedene Drehzahlen dar und die Kurven 4 sind die Linien gleichen Wirkungsgrades. Die schwarzen Kreise 5 auf der Motorschlucklinie 2 stellen Arbeitspunkte für verschiedene Drehzahlen dar.

Das Problem der Abstimmung der Verdichtercharakteristik auf das Verhalten des Motors liegt darin, im unteren Drehzahlbereich, wie in der Einleitung bemerkt, ein höheres Drehmoment zu erhalten, dagegen im oberen Drehzahlbereich infolge des mit der Drehzahl überproportional zunehmenden Förderstromes die Entstehung überschüssiger Luft vor dem Motor zu verhindern, bei Personenwagenmotoren z.B. durch Abblasen von Auspuffgas vor der Turboladerturbine.

Die unterste Liefercharakteristik 3 in Fig. 1 ist in ihrem ganzen, über die Pumpgrenze hinausreichenden Verlauf dargestellt. Der für den Motorbetrieb in Frage kommende Bereich 6 ist der Lieferast, der sein Maximum in der Nähe seines Schnittpunktes mit der Motorschlucklinie hat, ab dem daran anschliessenden Einsattelungsbereich 7 tritt Pumpen auf, bei dem ein stabiler Betriebszustand nicht mehr möglich ist. Der Betriebszustand springt dann zwischen dem Ast 6 und dem Rückströmast 8 hin und her.

Um im unteren Drehzahlbereich mittels einer dynamischen Zusatzauf ladung das Drehmoment erhöhen zu können, wird gemäss der Erfindung der Turbolader so ausgelegt, dass die Strö-

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mung im Verdichter im vorgesehenen Arbeitspunkt bzw. in einem mehr oder minder breiten Bereich um denselben eine durch die Ansaugtakte des Kolbenmotors kontrollierte, selbsterregte Schwingung ausführt.

Der Verdichter ist also hierbei an das Ansaugsystem angekoppelt, das einen technischen Helmholtz-Resonator darstellt, in dem durch die ansaugenden Kolben in einem Pufferraum zwischen denselben und dem Verdichteraustritt periodisch verlaufende Druckschwankungen erzeugt werden. In den Drucktälern dieses periodischen Druckverlaufes sinkt der Gegendruck am Verdichteraustritt und es wird in diesem Zeitintervall die im Ansaugstutzen vor dem Verdichter befindliche Luftsäule gegenüber der mittleren Geschwindigkeit des Luftdurchsatzes beschleunigt, wodurch dann im darauffolgenden Intervall des Druckverlaufes im Resonatorsystem, das einen Druckanstieg mit Druckspitze umfasst, diese Luftsäule abgebremst wird, die dadurch den Druck im Pufferraum erhöht. Dadurch erhält man also auch im unteren Drehzahlbereich um den Auslegepunkt herum durch dynamische Zusatzaufladung einen höheren Ladedruck als mit Turbolader allein.

Bei dieser dynamischen Zusatzaufladung arbeitet der Verdichter am besten möglichst nahe der Pumpgrenze, um das angekoppelte schwingungsfähige Ansaugsystem mit grösstmöglichen Druckamplituden aussteuern zu können. Die exakte Auslegung dieses Ansaugsystems wird durch die Verdichtercharakteristik, die Grosse des Puffervolumens zwischen Verdichter und der von diesem gespeisten Zylindergruppe, die Länge des Ansaugstutzens für den Verdichter und die Motordrehzahl, bei der das System optimal arbeiten soll, bestimmt. Wichtig ist

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in diesem Zusammenhang die Fähigkeit der Verdichterströmung zu kontrollierten, selbsterregten Schwingungen bei der Ansaugfrequenz der gewählten Motordrehzahl, welche Fähigkeit im wesentlichen von der mittleren Steigung der Liefer-Charakteristik im Einsattelungsbereich und dem angekoppelten Helmholtz-Resonator abhängt. Diese Steigung ist gegeben durch den Winkel 9, den die Tangente an den Wendepunkt der Liefercharakteristik im Einsattelungsbereich mit der Abszisse bzw. mit einer Parallelen zu dieser bildet.

Um die oben beschriebenen Schwingungen der Luft, also der pneumatischen Feder im Pufferraum und der pneumatischen Masse im Ansaugstutzen bei einer bestimmten Drehzahl in der gewünschten Weise zu erregen, müssen das Puffervolumen im Pufferraum und das Ansaugvolumen im Ansaugstutzen in bestimmter Beziehung untereinander und zum Inhalt eines Zylinders stehen. Wäre das Puffervolumen z.B. im Verhältnis zum Zylinderinhalt zu gross, so würde die vom betreffenden ansaugenden Kolben im Pufferraum erzeugte Druckabsenkung zu klein werden, um die Schwingung zu erregen. Desgleichen muss die pneumatische Masse des Ansaugvolumens im Ansaugstutzen vor dem Verdichter bzw. die Länge dieser Luftsäule und damit des Ansaugstutzens so gross sein, dass sie beim Abbremsen im Pufferraum die gewünschte dynamische Druckerhöhung für die Zusatzaufladung erzeugt.

Es hat sich gezeigt, dass diese Bedingungen erfüllt sind, wenn das Puffervolumen höchstens gleich ist dem anderthalbfachen Inhalt eines Zylinders der dem Pufferraum zugeordneten Zylindergruppe und das Ansaugvolumen gleich dem mehrfachen Puffervolumen. Dazu kommt, wie schon oben erwähnt,

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dass sich der stationäre Arbeitspunkt des Turboladers in Nähe der Pumpgrenze befindet.

Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung an einem Vierzylindermotor 10, der durch einen schematisch dargestellten Abgasturbolader 11 aufgeladen wird. Der zwischen dem Turbolader 11 und dem Motor 10 befindliche Pufferraum 12 steht mit den Ansaugkanälen aller vier Motorzylinder in leitender Verbindung und sein Puffervolumen beträgt höchstens das Eineinhalbfache des Zylinderinhaltes eines einzelnen Zylinders. Der Ansaugstutzen 13 für den Verdichter des Turboladers ist so lang, dass sein Volumen das mehrfache des Puffervolumens beträgt.

Die Länge des Ansaugstutzens 13 ist demnach von der gewählten Grosse seines Volumens und dem im Hinblick auf eine zulässige Ansauggeschwindigkeit gewählten Querschnitt des Ansaugstutzens bestimmt. Das Auspuffsystem des Motors ist in Fig. 2, ebenso wie bei der in Fig. 3 dargestellten Variante, nicht dargestellt.

Die Fig. 3 stellt eine Ausführungsform der Einrichtung mit einem Ladeluftkühler dar. In ihr sind der Pufferraum und der Ansaugstutzen schematisch dargestellt und ebenso wie der Turbolader 11 mit den gleichen Bezugszahlen 12 bzw. 13 wie in Fig. 2 bezeichnet. Vor dem Eintritt der Ladeluftleitung 14 in den Ladeluftkühler 15 und nach ihrem Austritt aus demselben sind in ihr je ein Absperrorgan 16 bzw. 17 vorgesehen, mit denen der Ladeluftkühler 15 bei Ueberschreiten des Ladedruckniveaus, bis zu dem die dynamische Zusatzaufladung wirksam ist, abgeschaltet wird. Im Ladedruckbe-

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reich der Zusatzaufladung ist der Verdichter über eine Bypassleitung 18 mit einem Absperrorgan 19 direkt mit dem Pufferraum 12 verbunden.

Bis zum Erreichen des erwähnten Ladedruckniveaus wird also die Ladeluft direkt unter Umgehung des Ladeluftkühlers 15 bei geschlossenen Absperrorganen 16 und 17 und geöffnetem Absperrorgan 19 durch die Bypassleitung 18 in den Pufferraum 12 gefördert. Oberhalb dieses Ladedruckes wird die Luft bei entsprechender Stellung der Absperrorgane 16, 17 und 19 durch den Ladeluftkühler gedrückt.

Wie auch bei den bekannten Systemen der dynamischen Zusatzaufladung gilt auch hier, dass nur jeweils so viele und nur solche Zylinder an einen Pufferraum angeschlossen werden, dass ihre Ansaugtakte sich nicht oder nur unwesentlich überschneiden, um eine möglichst exakt definierte Frequenz der Druckschwankungen mit ausgeprägten Druckänderungen zu erhalten. Bei vielzylindrigen Motoren sind also unter Umständen zwei oder mehr Turbolader mit der vorliegenden Einrichtung vorzusehen.

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Claims

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Patentansprüche

/lJ Verfahren zur dynamischen Zusatzaufladung von Abgasturbo- ^^ ladermotoren, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zwischen dem Verdichter des Turboladers und einem Zylinder oder einer Zylindergruppe des Motors angeordneten Puffervolumen durch die Ansaugtakte der Motorkolben periodische Druckschwankungen erzeugt und die zur Zusatzaufladung benötigte Energie der Laderturbine entnommen wird, indem die Geschwindigkeit der Ansaugluftsäule vor dem Verdichter während der Perioden niedrigen Druckes im Puffervolumen gegenüber der mittleren Geschwindigkeit der Verdichterluftströmung erhöht und die auf diese Weise erzeugte kinetische Energie im Puffervolumen in Zusatzladedruck umgesetzt wird.

2. Abgasturboladermotor mit mindestens einer Einrichtung zur dynamischen Zusatzaufladung nach dem Verfahren des Patentanspruchs 1, wobei den einzelnen oder gruppenweise zusammengefassten Zylindern je ein Ladeverdichter zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugsammler zwischen den Ladeverdichtern und den Zylindern oder Zylindergruppen als Pufferraum (12) mit einem Puffervolumen von höchstens dem eineinhalbfachen Inhalt eines einzelnen Zylinders ausgeführt ist, und dass der Ansaugstutzen (13)

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eines jeden Ladeverdichters ein Ansaugvolumen vom mehrfachen des Puffervolumens aufweist.

Abgasturboladermotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ladeverdichtern und den Pufferräumen je ein Ladeluftkühler (15) mit Absperrorganen (16, 17) am Eingang bzw. am Ausgang der Ladeluftkühler (15) sowie je eine Bypassleitung (18) mit einem Absperrorgan (19) zur Umgehung der Ladeluftkühler beim Betrieb im Drehzahlbereich der Zusatzaufladung vorgesehen sind.

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