DE3228858A1

DE3228858A1 - Aufladesystem fuer verbrennungskraftmaschinen von kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE3228858A1
Application number: DE19823228858
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Alfa Romeo Auto SpA; Alfa Romeo SpA
Current assignee: Fiat Auto SpA
Priority date: 1981-08-06
Filing date: 1982-08-02
Publication date: 1983-02-24
Also published as: DE3228858C2; IT8123408A0; US4539815A; IT1137820B; FR2511080B1; FR2511080A1

Description

Anmelder: ALFA ROMEO AUTO S.p.A.
NEAPEL, Italien

"Aufladesystem fuer Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen"

BESCHREIBUNG

Bei Verbrennungskraftmaschinen, die mit einem Ver· dichter fuer die Speiseluft versehen sind, ist bekanntlich die Leistungssteigerung, die durch Anwendung des

Verdichters erzielt wird, im wesentlichen an die Dichtezunahme gebunden, die die Luft im Verdichter erfaehrt. Die Leistungssteigerung ist demnach umso groesser je groesser die Zunahme des Druckes der Luft ist und umso geringer, je groesser die Temperaturzunahme ist.

Wenn es sich um einen Motor mit gesteuerter Zuendung handelt, dann ist eine hohe Speisetemperatur auch deswegen schaedlich, weil sie das Auftreten der Klopferscheinung beguenstigt und zu deren Vermeidung dazu zwingen kann, das volumetrische Verdichtungsverhaeltnis he-.rabzuse tzen.

Es ist daher wichtig, dass der Verdichter einen hohen adiabetischen Wirkungsgrad besitzt, damit bei gleichem Speisedruck die Temperatur moeglichst nicht hoch ist.

Aber auch bei gutem Wirkungsgrad des Verdichters ist die Temperatur trotzdem ziemlich hoch und dies umso mehr, je groesser der Speisedruck ist.

Daraus ergibt sich oft die Zweckmaessigkeit, in den Speiseluftkreis stromabwaerts des Verdichters und stromaufwaerts der Zylinder des Motors einen Waermeaustauscher einzuschalten.

Mittels dieses Waermeaustauschers wird die Speiseluft abgekuehlt, da die in ihr enthaltenen Kalorien teilweise auf ein anderes Kuehlmedium uebertragen werden, das Aussenluft oder auch eine Fluessigkeit sein kann (die ihrerseits in einem weiteren Waermeaustauscher durch die Aussenluft abgekuehlt wird).

Der Platzbedarf, die Kosten und auch die Wirksamkeit dieser Waermeaustauscher sind aber derart, dass sie nicht immer angewandt werden, was insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen fuer Kraftfahrzeuge zutrifft. Eben fuer diesen Anwendungsfall an Kraftfahrzeugen wird erfindungsgemaess vorgeschlagen, den oben beschriebenen Waermeaustauscher durch eine Vorrichtung zu ersetzen, die bei gleicher Wirksamkeit einfacher und leichter, sowie weniger sperrig und kostspielig ist.

Diese Vorrichtung ist ganz allgemein im Fall von aufgeladenen Motoren fuer Kraftfahrzeuge anwendbar, da bei dieser besonderen Anwendung die Aufladung nur dann und wann, das heisst nur ausgenuetzt wird, wenn das Fahrzeug zur Beschleunigung eine hohe Leistung bedarf.

Das bedeutet, dass im Normalbetrieb, das heisst wenn das Fahrzeug nicht beschleunigt, die Luft in der Speiseleitung stromaufwaerts der Zylinder nicht erwaermt ist, da sie im Verdichter nicht verdichtet wird.

Die erfindungsgemaesse Vorrichtung besteht aus einem schweren, derart geformten Element, dass es eine stark ausgebreitete Oberflaeche besitzt, die seitens der Speiseluft bestrichen wird.

Dieses schwere Element kann aus einer metallischen Matrize bestehe, das heisst beispielsweise aus einem Paket gefalteter Metallbleche, durch welches die Luft in Richtung der Faltung hindurchstroemt, oder aus einem Buendel von Metallrohren, die innerhalb der Speiseleitung angeordnet sind: diese Rohre werden somit sowohl

innen als auch aussen durch die Speiseluft bestrichen. Das Metallblech bzw. die Metallrohre koennen beispielsweise aus Aluminium bzw. jedenfalls aus einem Werkstoff mit guter Waermeleitfaehigkeit hergestellt sein.

Waehrend des normalen Betriebes des Fahrzeuges, das heisst waehrend es zwischen einer Beschleunigung und der naechsten fachrt, nimmt die genannte metallische Matrize die normale Temperatur der Speiseluft, das heisst eine Temperatur an, die nur geringfuegig ueber der aeusseren Raumtemperatur liegt.

Waehrend der Beschleunigung gelangt die mit hoher Temperatur den Verdichter verlassende Luft in die Matrize und angesichts der beachtlichen Ausbreitung deren von der Luft bestrichenen Oberflaeche und dem Waermeuebertragungskoeffizienten Luft/Wand zu Beginn der Beschleunigung tritt die Luft stark abgekuehlt, das heisst mit einer Temperatur aus der Matrize aus, die nahe der Ausgangstemperatur der Matrize selbst liegt. Anschliessend erwaermt sich die Matrize und die Abkuehlung der Luft wird gerin-9^^Γ, doch wenn man in Betracht zieht, dass die Beschleunigung eines Fahrzeuges auch angesichts der Geschwindigkeitsgrenzen nie laenger als 10 bzw. 20 Sekunden dauert, kann die Abkuehlung der Luft auch am Ende der Beschleunigung noch sehr beachtlich sein.

Wenn das Gewicht der die Matrize waehrend der 10 Sekunden Beschleunigung durchstroemenden Luft |kg ist, die Matrize selbst in Ausfuehrung in Aluminium 2 kg wiegt und wenn man in Betracht zieht, dass die spezifische Waer-

y.

me der Luft 0,24 Cal/kg ⁰C und jene von Aluminium etwa 0,23 ist, dann sieht man durch Gleichsetzung der von der Luft verlorenen Waermemenge und der von der Matrize aufgenommenen Waermemenge, dass sich die Matrize im Mittel um eine Anzahl Grade erwaermt, die der vierte Teil der Anzahl Grade ist, um die sich die Luft abkuehlt.

Wenn die Matrize zu Beginn der Beschleunigung eine Temperatur von 15⁰C besitzt, dann ist unter der Annahme, dass die verdichtete Luft mit 9O⁰C in die Matrize eintritt und sich im Mittel waehrend 10 Sekunden um 4O⁰C abkuehlt, die Temperaturzunahme der Matrize nach 10 Sekunden Beschleunigung nur von 15⁰C auf 25⁰C. Die Temperatur der Matrize wuerde unter den obigen Bedingungen von 15°C auf 35⁰C zunehmen, wenn die Aluminiummatrize anstatt 2kg nur lkg wiegen wuerde.

Um einen guten Betrieb des Systems zu gewaehrleisten wurde gefunden, dass das Verhaeltnis zwischen Oberflaeche "S" der Matrize und Oberflaeche "S₁" des Lei-tungsabschnittes, in welchem die Matrize enthalten ist, wie folgt sein soll:

4- > 12
.1

Die obigen Angaben ergeben sich noch klarer aus der folgenden Figurenbeschreibung.

In Figur 1 ist der Kopf 1 eines 4-Zylinder-Motors dargestellt, wobei die vier strichliert eingezeichneten Kreise 2 die vier Verbrennungsraeume andeuten. Mit 3 ist der Ansaugkruemmer und mit 4 der Auspuffkruemmer bezeichnet, die am Kopf 1 in Uebereinstimmung mit den An-

saug- bzw. Auslassleitungen der verschiedenen Zylinder angeflanscht sind. Mittels der vier Einspritzduesen 5 wird der Kraftstoff in die vier Ansaugleitungen eingespritzt, nachdem es sich bei dem beispielsweise in Figur 1 dargestellten Motor um einen solchen mit Kraftstoffeinspritzung handelt.

Die Aussenluft wird vom Motor durch ein Luftfilter angesaugt und ein Mengenmesser 7 der angesaugten Luft dient beispielsweise zur Regelung der seitens der Einspritzduesen 5 abzugebenden Kraftstoffmenge. Die Drosselklappe 8 des Motors sitzt auf einer Achse 9, die seitens eines, mit dem Gaspedal des Fahrzeuges verbundenen Hebels 10 verdreht werden kann.

Das in Figur 1 beispielsweise gezeigte Aufladesystem besteht vor allem aus einem normalen Abgasturbolader, bestehend aus einem Zentrifugalverdichter mit einem Koerper 11 und einem Laeufer 12 sowie aus einer Zentripetalturbine mit einem Koerper 13 und einem Laeufer 14. Die beiden Laeufer 12, 14 sitzen auf der gleichen Achse 15, so dass die durch den Laeufer 14'aufgenommene Ausdehnungsenergie der Abgase auf den Laeufer 12 uebertragen wird, der die vom Motor angesaugte Luft verdichtet.

In einer zur Turbine parallel liegenden Leitung 17 befindet sich ein Ventil .16, durch welches die seitens der Turbine ausgenutzte Abgasmenge einregelbar ist: bei geschlossenem Ventil 16 wird die gesamte Abgasmenge des Motors in der Turbine ausgenutzt, um die angesaugte Luft zu verdichten, waehrend bei teilweise oder ganz geoeff-

netem Ventil 16 die zur Luftverdichtung ausgenutzte Abgasmenge geringer bzw. minimal ist.

Das Aufladesystem nach Figur 1 umfasst ferner eine metallische Matrize 18, die zwischen die Ausgangsleitung 19 des Zentrifugalverdichters und den Ansaugkruemmer 3 eingeschaltet ist. Das Vorhandensein dieser Matrize 18 ist fuer das erfindungsgemaesse Aufladesystem kennzeichnend. Durch diese beispielsweise aus Aluminium hergestellte Matrize stroemt somit die gesamte vom Motor angesaugte Luft. Die verhaeltnismaessig duennwandigen Bleche, aus denen die Matrize in ihrem Inneren aufgebaut ist, sind derart angeordnet, dass eine Luftstroemung im wesentlichen ohne ploetzliche Richtungsaenderungen und mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit laengs des Stroemungsweges gestattet wird, so dass ein minimaler Druckabfall entlang des Stroemungsweges eintritt.

Waehrend des normalen Fahrbetrieb des Fahrzeuges mit nicht hoher und im wesentlichen konstanter Fahrgeschwindigkeit, das heisst also mit nicht hohen Drehzahlen des Fahrzeugmotors und mit der Drosselklappe in Drosselstellung, ist die der Turbine zur Verfuegung stehende Energie bescheiden und wird noch geringer, wenn in diesem Zustand das Ventil 16 selbsttaetig in die geoeffnete Lage gestellt wird. Daraus ergibt sich eine sehr geringe, wenn nicht sogar gar keine Verdichtung der angesaugten Luft im Verdichter und folglich erfaehrt auch die Temperatur der Luft gegenueber jener der Aussenluft nur eine geringe bzw. gar keine Erhoehung. Die durch

diese Luft durchstroemte Matrize 18 nimmt daher bei diesem normalen Fahrbetrieb eine gegenueber der Raumtemperatur nur wenig hoehere Temperatur an.

Zum Zeitpunkt einer Beschleunigung des Fahrzeuges mit ganz geoeffneter Drosselklappe 8 und geschlossenem Ventil 16 laeuft der Turboverdichter hoch und die Luft verlaesst ihn mit hohem Druck und hoher Temperatur. Beim Durchstroemen der Matrize 18, die zufolge ihrer Waermetraegheit waehrend der Gesamtdauer der Beschleunigung (beispielsweise 10 oder 20 Sekunden) auf niedriger Temperatur bleibt, wird die verdichtete Luft stark abgekuehlt, waehrend sich die Matrize 18 nur wenig erwaermt.

Um dieses Ergebnis zu erzielen, muss die vorzugsweise aus Aluminium, wegen dessen hoher spezifischer Waerme hergestellte. Matrize natuerlich ueber eine ausreichend ausgedehnte Oberflaeche verfuegen, ihr Gewicht muss wie oben dargelegt genuegend gross sein und der Waermeuebertragungskoeffizient durch Konvektion zwischen Luft und Wand muss ebenfalls genuegend gross sein.

Ein weiteres Aufladesystem fuer einen Motor, dem stets die fuer die Erfindung kennzeichnende Matrize 18 angehoert, ist schematisch in Figur 2 dargestellt, wobei gleiche Teile mit denselben Bezugsziffern wie in Figur 1 bezeichnet sind.

Bei dem System der Figur 2 wird die angesaugte Luft nicht mittels eines Turboverdichters, sondern mittels eines volumetrischen Verdichters verdichtet, wobei es sich im Beispielsfall der Figur 2 um ein Rootsgeblaese

mit einem Koerper 20 handelt, in welchem zwei keulenfoermige Rotoren 21, 22 umlaufen, die gegeneinander versetzt auf zwei, in entgegengesetzten Drehsinnen von der Motorwelle ueber nicht dargestellte Getriebe angetriebenen Wellen 23, 24- sitzen. In einer den Verdichter kurzschliessenden Leitung 25 ist ein Ventil 26 angeordnet.

Anstelle eines Rootsgeblaeses koennte natuerlich auch ein Fluegelkompressor angewendet werden, der ebenfalls von der Motorwelle angetrieben wird.

Nachdem bei einem volumetrischen Verdichter die Verdichtung der angesaugten Luft von der gegenueber dem Motor groesseren volumetrischen Foerdermenge des Verdichters abhaengt, wird dann, wenn keine Verdichtung der Luft gefordert ist (beispielsweise im normalen Fahrbetrieb mit .konstanter, nicht hoher Geschwindigkeit des Fahrzeuges), die ueberschuessige Foerdermenge des Verdichters durch die Leitung 25 und das in diesem Betriebszustand geoeffnete Ventil 26 von der Druckseite des Verdichters, zu dessen Saugseite zurueckgefuehrt. Im normalen Fahrbetrieb mit konstanter, nicht hoher Geschwindigkeit ist somit die durch die Matrize 18 stroemende unverdichtete Luft kalt und haelt auch die Matrize auf niedriger Temperatur.

Auch in diesem Fall, so wie beim System der Figur 1, kuehlt beim Beschleunigen und waehrend des Beschleunigens die zufolge ihrer Waermetraegheit ausreichend kalt bleibende Matrize 18 die aus dem Verdichter austretende verdichtete und somit erwaermte Luft.

In Figur 3 ist ein Motorkopf 1 mit vier Verbrennungsraeumen 2, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Anstelle des Ansaugkruemmers 3 der Figuren 1 und 2 ist der Ansaugkruemmer 30 derart gestaltet, dass er die Matrize 32 in sich aufnimmt.

Die vom Motor angesaugte Luft tritt durch eine Muendung 31, nach dem Austritt aus dem nicht dargestellten Verdichter, in den Kruemmer 30 ein, bestreicht die Waende der Matrize 32 und tritt sodann in die Ansaugleitungen der einzelnen Zylinder ein.

Das Verhalten der Matrize 32 entspricht somit in jeder Beziehung demjenigen der Matirze 18 der Figuren 1 und 2.

Die Figur A- zeigt im teilweisen Schnitt nach einer durch die La.euferdrehachse fuehrenden Ebene einen Zentrifugalverdichter. Es handelt sich beispielsweise um einen Verdichter der Art jenes nach Figur 1, welcher von einer Abgasturbine (in Figur A· nicht gezeigt) angetrieben wird.

Der in Figur 1 schematisch mit 11 bezeichnete Verdichterkoerper besteht in Figur A- aus zwei Halbschalen A-O und A-I. Der Laeufer und seine Welle sind wie in Figur 1 mit 12 bzw. 15 bezeichnet und die Welle 15 laeuft in einem, an der Halbschale A-I angebrachten Lager A-A-.

Der Ringraum zwischen den beiden Halbschalen um den Laeufer herum ist in normaler Weise ausgebildet, das heisst derart, dass ein Diffusor A-5 gebildet wird, in dem ein betraechtlicher Anteil der Umfangsgeschwindigkeit

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Vf.

der den Laeufer verlassenden Luft in Druck umgewandelt wird.

Gleich ausserhalb dieser ringfoermigen Diffusions^ zone ist in Figur 4 die Matrize 42 sichtbar, die beispielsweise aus einer Anzahl ebener ringfoermiger Bleche besteht, welche von der aus dem Laeufer und dem Diffusor (und somit aus dem Verdichter) kommenden Luft bestrichen werden, die dann in den Raum 43 gelangt, von wo sie in den Ansaugkruemmer des Motors stroemt.

Das Verhalten der Matrize 42 ist somit ebenfalls aehnlich demjenigen der Matrize 18 der Figuren 1 und 2.

Was bisher bezueglich der in den Zeichnungsfiguren

veranschaulichten Aufladesysteme gesagt wurde, gilt natuerlich auch in demjenigen Fall, in dem der Verdichter eine Maschine mit aerodynamischer Druckwelle der Type "COMPREX" ist, sowie auch in dem Fall, in dem der Motor durch Vergaser gespeist wird bzw. in dem es sich um einen Dieselmotor handelt.

Leerseite

Claims

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Anmelder: ALFA ROMEO AUTO S.p.A.
NEAPEL, Italien

"Aufladesystem fuer Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen"

P A TENTANSPRUECHEN

Iy Aufladesystem fuer Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, mit einem Verdichter der von der Maschine angesaugten Luft und einem Waermeaustauschelement, das

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stromabwaerts des Verdichters angeordnet ist und seitens der von der Maschine angesaugten Luft durchstroemt wird, wobei der Verdichter derart ausgelegt und gegebenenfalls regelbar ist, dass bei geringer seitens der Maschine des Fahrzeuges gefoerderter Leistung nur eine geringe Verdichtung und somit Erwaermung der Luft und bei hoher gefoerderter Leistung zur Beschleunigung des Fahrzeuges eine starke Verdichtung und somit Erwaermung der Luft eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass das Waermeaustauschelement eine im wesentlichen metallische Matrize (18) ist, die aus einer Mehrzahl von duennen Waenden besteht, die derart angeordnet sind, dass eine im wesentlichen gleichfoermige Luftstroemung mit konstanter Geschwindigkeit und ein sehr geringer Druckverlust der die Matrize durchstroemenden Luft gewaehrleistet ist, wobei die duennen Waende seitens der sie bestreichenden Luft bei normalem Fahrbetrieb mit geringer Leistung der Maschine auf eine maessige Temperatur gebracht und auf dieser gehalten werden, waehrend sie sich beim Betrieb der Maschine mit hoher Leistung zur Beschleunigung des Fahrzeuges erwaermen und somit die mit hoher Temperatur aus dem Verdichter austretende Luft abkuehlen.

2. Aufladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von duennen Waenden (18) innerhalb eines Mantels mit Ein- und Austrittsoeffnung angeordnet ist, welcher Mantel die Luftstroemung, welche zwischen der Eintrittsoeffnung und der Austrittsoeffnung die Oberflaechen der duennen Waende bestreicht, fuehrt und umschliesst.

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3« Aufladesystem nach Anspruch 1, dadurch· gekennzeichnet, dass die Mehrzahl duenrier Waende (32) im Ansaugkruemmer (30) der Maschine enthalten ist.

ή-. Aufladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl duenner Waende (42) im Koerper (40, ή-l) des Verdichters enthalten ist und seitens der Luft vor ihrem Austritt aus dem Verdichter bestrichen wird.

5. Aufladesystem nach den vorhergehenden Anspruechen, dadurch gekennzeichnet, dass die duennen Waende aus Metallblechen mit geringer Wandstaerke bestehen, die von der Luft auf beiden Oberflaechen bestrichen werden.

6. Aufladesystem nach den vorhergehenden Anspruechen, dadurch gekennzeichnet, dass die duennen Waende aus zwei benachbarten Metallblechen bestehen, zwischen denen eine im wesentlichen unbewegte Fluessigkeitsschicht dank ihre.r hohen spezifischen Waerme die Waermetraegheit der Matrize duenner Waende erhoeht, wobei von den beiden benachbarten duennen Metallblechen nur die beiden nicht seitens der Fluessigkeit benetzten Oberflaechen von der Luft bestrichen werden.