DE3631124C2 - Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft ein Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bekanntlich wird in dem Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine zu Beginn jedes Ansaughubes eine Unterdruckwelle erzeugt, die in dem Ansaugsystem stromaufwärts läuft und an dem zur Atmosphäre oder zu einem in der Aufstromseite des Ansaugsystems vorgesehenen Pufferbehälter hin offenen Ende als positive Druckwelle reflektiert wird und zur Einlaßöffnung im Zylinder zurückläuft. Durch eine Gestaltung des Ansaugsystems so, daß diese positive Druckwelle die Einlaßöffnung unmittelbar vor dem Schließen des Einlaßventils erreicht, so daß die Ansaugluft dadurch verstärkt in den Brennraum gedrückt wird, läßt sich der Füllgrad verbessern. Es sind verschiedene Ansaugsysteme bekanntgeworden, in denen eine derartige Schwingungsaufladung durch Schwingungen der Ansaug- Luftsäule ausgenützt wird, um den Füllgrad zu steigern. Jedoch läßt sich die Schwingungsdauer der Druckwelle in der Ansaugleitung mit dem Zeitintervall zwischen dem Öffnen und dem Schließen des Einlaßventils zum Zweck der Erzielung eines ausreichenden Aufladeeffekts abhängig von der Formgebung der Ansaugleitung nur in einem eng begrenzten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine abstimmen. Es sind deshalb bereits Ansaugsysteme vorgeschlagen worden, bei denen die Länge der Ansaugleitung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine veränderbar ist, um den erwähnten Schwingungsaufladeeffekt über einen breiteren Drehzahlbereich hinweg zu erhalten. Die Längenverstellbarkeit des Ansaugsystems ist jedoch konstruktiv aufwendig.
Zum Stand der Technik gemäß §3, Abs. 2, Ziff. 1 PatG gehört auch ein Ansaugsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 (EP- PS 182 223), durch welches der Füllgrad dadurch verbessert wird, daß die Schwingungsaufladung in jeder der Einzel-Ansaugleitungen durch die Druckfortpflanzung in den benachbarten Einzel- Ansaugleitungen unterstützt wird. Hierzu weist dieses Ansaugsystem eine Ansaugleitung auf, die sich aus einem gemeinsamen, zur Atmosphäre hin offenen Ansaugstutzen, einem an der Abstromseite des Ansaugstutzens anschließenden Pufferbehälter und einer Mehrzahl von Einzel-Ansaugleitungen zusammensetzt, welchletztere von dem Pufferbehälter abzweigen und jeweils mit den Zylindern verbunden sind. Darüber hinaus ist aber mindestens eine Verbindungsleitung vorgesehen, um jede der Einzel-Ansaugleitungen mit mindestens einer der übrigen Einzel-Ansaugleitungen in einem stromab von dem Pufferbehälter liegenden Abschnitt zu verbinden, und an jeder Verbindungsstelle der Verbindungsleitung mit den Einzel-Ansaugleitungen ist ein Zu- und Abschaltventil vorgesehen, um die Verbindungsstelle zu öffnen bzw. zu sperren. Das Zu- und Abschaltventil wird dann geöffnet, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine einen vorbestimmten Wert übersteigt. Dadurch wird eine Schwingungsaufladung sowohl im Bereich niedriger als auch hoher Drehzahl ausgenützt, weil die beim Ansaughub erzeugte Unterdruckwelle bei geschlossenem Ventil am Pufferbehälter und bei geöffnetem Ventil stromab von dem Pufferbehälter, nämlich an der Verbindungsstelle mit der Verbindungsleitung reflektiert wird. Dabei findet bei geöffnetem Zu- und Abschaltventil speziell im Bereich hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine eine Verstärkung der Schwingungsaufladung statt, weil die Verbindungsleitung mit ihrem Volumen als zusätzliche Luftquelle für den stromab von der Verbindungsleitung liegenden Teil der Einzel-Ansaugleitungen wirkt.
Bei einem anderen Ansaugsystem nach dem Stand der Technik gemäß § 3, Abs. 2, Ziff. 1 PatG (DE-OS 35 29 388) sind die Zylinder der Brennkraftmaschine mit einem ersten Pufferbehälter durch Einzel- Ansaugleitungen verbunden, von denen in geradliniger Verlängerung jeweils weitere Einzel-Ansaugleitungen (Verbindungsrohre) abzweigen und zu einem zweiten Pufferbehälter führen. In diesen weiteren Einzel-Ansaugleitungen sind jeweils Drosselklappen vorgesehen; die beiden Pufferbehälter sind über eine Verbindungsleitung miteinander verbunden. Die Querschnitte aller Einzel-Ansaugleitungen sind gleich.
Um den Füllgrad in dem Ansaugsystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 noch weiter zu verbessern, ist es günstig, wenn die Effektiv-Querschnittsfläche der Ansaugleitung verkleinert wird, um die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft im Bereich niedriger Drehzahl - wo die Ansaugluftmenge relativ klein ist - zu steigern. Im allgemeinen wird nämlich der Füllgrad auch durch die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft und durch den Ansaugwiderstand beeinflußt, und es ist bekannt, daß der beste Aufladeeffekt bei einer Strömungsgeschwindigkeit von ungefähr 60 m/sec erzielbar ist. Ist jedoch die effektive Querschnittsfläche der Ansaugleitung relativ klein, dann steigt im Bereich hoher Drehzahl - wo die Ansaugluftmenge relativ groß ist - der Ansaugwiderstand und verringert den Füllgrad. Eigene Untersuchungen der Beziehung zwischen der Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft und dem Ansaugwiderstand haben ergeben, daß die Strömungsgeschwindigkeit bei Drehzahlen in der Nähe der der maximalen Leistung entsprechenden Drehzahl nicht über 100 m/sec betragen sollte.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ansaugsystem der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, bei dem die Schwingungsaufladung in jeder Einzel-Ansaugleitung durch die Druckwellen in mindestens einer der weiteren Einzel- Ansaugleitungen verstärkt werden kann und zugleich die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft im Bereich niedriger Drehzahl erhöht wird, jedoch der Ansaugwiderstand im Bereich hoher Drehzahl gering bleibt, so daß über einen breiten Drehzahlbereich hinweg ein guter Füllgrad erzielt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Ausgestaltung des Ansaugsystems gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruches 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Ansaugsystem wird aufgrund des engen Abschnitts der Einzel-Ansaugleitungen stromauf von der Verbindungsstelle die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaug­ luft in dem Bereich niedriger Drehzahl, d. h. wenn die Ver­ bindungsleitung versperrt ist und somit Ansaugluft allein durch die Einzel-Ansaugleitungen angesaugt wird, erhöht. Hierdurch wird auch der kinetische Effekt in der Ansaugluft gesteigert. Andererseits wird der Einfluß des engen Ab­ schnitts der Einzel-Ansaugleitungen auf den Ansaugwiderstand beseitigt und dadurch ein hoher Füllgrad erzielt, sobald im Bereich hoher Drehzahl die Verbindungsleitung offen ist und daher Ansaugluft beim Saughub jedem Zylinder sowohl durch die zugeordnete Einzel-Ansaugleitung als auch durch die übrigen Einzel-Ansaugleitungen zugeführt wird, die über die Verbindungsleitung an die erstgenannte Einzel-Ansaug­ leitung angeschlossen sind.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevor­ zugten Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus den Unteransprüchen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer Brennkraft­ maschine, die mit einer Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Ansaugsystems ausgestattet ist;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht, teilweise abgebrochen, eines Ansaugverteilers der in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine;
Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie III-III in Fig. 1;
Fig. 4 eine schematische Ansicht von oben längs der Linie IV-IV in Fig. 1;
Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie V-V in Fig. 1;
Fig. 6 einen Querschnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 1, und
Fig. 7 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung des von der Erfindung erzielten Ergebnisses.
Die in Fig. 1 dargestellte 4-Zylinder-Brennkraftmaschine weist einen Zylinderkopf 1 auf, bei dem vier Zylinder 2 in Reihe angeordnet sind. In jedem Zylinder 2 ist über einem nicht gezeigten Kolben ein Brenn­ raum 3 ausgebildet, in den eine Einlaßöffnung 4 mündet bzw. von dem eine Auslaßöffnung 5 ausgeht. Die Einlaß- und die Auslaßöffnung 4 bzw. 5 sind mit einem Einlaßventil 6 bzw. einem Auslaßventil 7 versehen.
Den Brennräumen 3 wird Ansaugluft durch eine Ansaugleitung zugeführt, die einen gemeinsamen, über ein nicht gezeigtes Luftfilter zur Atmosphäre hin offenen Ansaugstutzen 10, einen mit dem abströmseitigen Ende des Ansaugstutzens 10 verbundenen Puffertank 9 und vier Einzel-Ansaugleitungen 8 umfaßt, die von dem Puffertank 9 abzweigen und einzeln mit dem ersten bis vierten Zylinder 2 verbunden sind. Der Puffer­ tank 9 erstreckt sich im wesentlichen parallel zu der nicht gezeigten Kurbelwelle. Jede Einzel-Ansaugleitung 8 ist entlang dem Zylinderkopf 1 zum Puffertank 9 nach oben gekrümmt und die Einzel-Ansaugleitungen 8 haben weitgehend die gleiche Länge. In dem gemeinsamen Ansaugstutzen 10 ist eine Drossel­ klappe 11 angeordnet, während in jeder Einzel-Ansaugleitung 8, nahe an deren abströmseitigem Ende, ein Kraftstoff-Einspritz­ ventil 12 vorgesehen ist.
Mit den Einzel-Ansaugleitungen 8 ist jeweils in einem Zwischenabschnitt eine Verbindungsleitung 14 verbunden; Anschlußöffnungen 13 bilden Verbindungsstellen mit den jeweiligen Einzel- Ansaugleitungen 8, so daß diese hier­ durch untereinander verbunden sind. Auch die Abschnitte der Einzel-Ansaugleitungen 8 zwischen den Anschlußöffnungen 13 und den Zylindern 2 haben im wesentlichen die gleiche Länge.
Jede Anschlußöffnung 13 ist mit einem Zu- und Abschaltventil 15 versehen, um die Anschlußöffnung 13 im niederen Drehzahl­ bereich der Brennkraftmaschine, d. h. unter einer vorbestimmten Drehzahl, zu versperren und sie im höheren Drehzahlbereich, der nicht unter der vorbestimmten Drehzahl liegt, zu öffnen. Hierzu sind die Zu- und Abschaltventile 15 an einer Drehwelle 16 befestigt, die sich in Längsrichtung der Zylinderreihe erstreckt und durch eine Betätigungsvorrichtung 20 drehbar ist. Die Betätigungsvorrichtung 20 wird durch einen Steuer- Schaltkreis 21 gesteuert, der von einem nicht gezeigten Dreh­ zahldetektor ein Drehzahlsignal der Brennkraftmaschine erhält. Die Zu- und Abschaltventile 15 können dadurch so betätigt werden, daß die Anschlußöffnungen 13 nur bei hoher Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine versperrt werden, hingegen bei geringer Last offen oder geschlossen gehalten werden können.
Der Puffertank 9, die aufströmseitigen Abschnitte 8a der Einzel-Ansaugleitungen 8 und der obere Teil der Verbindungs­ leitung 14 sind einstückig geformt und bilden den oberen Teil 17a eines Ansaugverteilers 17. Die abströmseitigen Ab­ schnitte 8b der Einzel-Ansaugleitungen 8 und der untere Teil der Verbindungsleitung 14 sind ebenfalls einstückig geformt und bilden den restlichen oder unteren Teil 17b des Ansaug­ verteilers 17. Der obere Teil 17a und der untere Teil 17b sind miteinander zu dem kompletten Ansaugverteiler 17 verbunden. Diese Anordnung ist deshalb von Vorteil, weil hierdurch das gesamte Ansaugsystem kompakt ausgebildet werden kann.
Jede Einzel-Ansaugleitung 8 ist im Querschnitt oval oder langlochartig ausgebildet, wobei die längere Achse davon in Richtung der Zylinderreihe verläuft. Die Länge L1 dieser längeren Achsen ist in dem aufströmseitigen Ab­ schnitt 8a (d. h. stromaufwärts von der Verbindungsstelle 13 zwischen den Einzel-Ansaugleitungen 8 und der Verbindungs­ leitung 14) kürzer als die Länge L2 der entsprechenden längeren Achsen in dem abströmseitigen Abschnitt 8b, d. h. stromabwärts von der Verbindungsstelle 13. Dementsprechend ist die Querschnittsfläche S2 der Einzel- Ansaugleitungen 8 in dem aufströmseitigen Abschnitt 8a kleiner als die entsprechende Querschnittsfläche S1 in dem abströmseitigen Abschnitt 8b. Die Querschnittsfläche S1 des abströmseitigen Abschnitts 8b ist dabei so gewählt, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft bei einer Drehzahl entsprechend der maximalen Ausgangsleistung der Maschine (z. B. 6000 U/min) etwa 100 m/sec beträgt. Die Querschnittsfläche S2 des aufströmseitigen Abschnitts 8a ist hingegen so gewählt, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft bei der gleichen Maschinendrehzahl etwa 120 m/sec beträgt.
Wenn die Zu- und Abschaltventile 15 geschlossen sind, pflanzt sich die Unterdruckwelle, die zu Beginn jedes Ansaughubes in jedem Brennraum erzeugt wird, durch die zugehörige Einzel- Ansaugleitung 8 zum Puffertank 9 hin fort und wird am Puffertank 9 als positive Druckwelle in Richtung zum Brenn­ raum reflektiert. Die Gesamtlänge jeder Einzel-Ansaugleitung 8 ist dabei so gewählt, daß die Schwingungsdauer der Druck­ welle in der Ansaugleitung auf den Zeitraum zwischen Öffnung und Schließung des Einlaßventils 6 abgestimmt werden kann, um hierdurch den Trägheitseffekt der Ansaugluftsäule im niedrigen Drehzahlbereich zur Schwingungsaufladung auszu­ nützen. Wenn die Zu- und Abschaltventile 15 offenstehen, wird die zu Beginn jedes Ansaughubes erzeugte Unterdruck­ welle an der Verbindungsleitung 14 reflektiert, so daß entsprechend die von der Unterdruckwelle und der reflektierten Druckwelle zurückgelegte Wegstrecke, d. h. die Effektivlänge der Einzel-Ansaugleitungen, verkürzt ist und demzufolge die Schwingungsdauer der Druckwelle in der Ansaugleitung wiederum auf das Zeitintervall zwischen Öffnung und Schließung der Ansaugventile 6 im hohen Drehzahlbereich abgestimmt werden kann, um hierdurch den Trägheitseffekt der Ansaug­ luftsäule auszunützen. Gleichzeitig wird der Ansaug-Träg­ heitseffekt in jeder Einzel-Ansaugleitung weiter durch die Druckwellen verstärkt, die sich von den anderen Einzel- Ansaugleitungen über die Verbindungsleitung 14 fortpflanzen.
Da der aufströmseitige Abschnitt 8a jeder Einzel-Ansaugleitung 8 verengt ist, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft, so daß hierdurch der volumetrische Wirkungsgrad im niedrigen Drehzahlbereich, bei dem die Verbindungsleitung 14 verschlossen ist und die Ansaugluft ausschließlich durch die Einzel-Ansaugleitung 8 strömt, noch weiter verbessert wird. Hingegen wird im hohen Drehzahlbereich, wenn die Verbindungs­ leitung 14 offensteht und somit Ansaugluft in jeden Zylinder 2 auch durch die Einzel-Ansaugleitungen 8 eingesaugt wird, die zu den anderen Zylindern führen, der Einfluß des ver­ engten aufströmseitigen Abschnitts 8a der Einzel-Ansaug­ leitungen 8 auf den Ansaugwiderstand beseitigt, so daß der hohe Füll- oder Ladegrad auch im hohen Drehzahlbereich aufrecht­ erhalten werden kann.
In Fig. 7 zeigt die durchgehend ausgezogene Linie den Füll­ grad-Verlauf einer Brennkraftmaschine, die mit dem Ansaug­ system entsprechend der EP-PS 182 223 ausge­ stattet ist, d. h. mit einem Ansaugsystem, bei dem die Einzel- Ansaugleitungen über ihre ganze Länge eine gleiche Querschnitts­ fläche besitzen. Wie von dieser Linie abzulesen ist, weist die Drehzahl/Füllgrad-Kennlinie zwei Peaks A1 und A2 bei niedriger bzw. hoher Drehzahl sowie eine Einsenkung B1 bei einer Zwischendrehzahl auf. Eine solche Einsenkung B1 ist nicht günstig. Bei der mit dem Ansaugsystem nach der vorliegenden Erfindung ausgestatteten Brennkraftmaschine ist deshalb der im hohen Drehzahlbereich auftretende Peak A2 in Richtung auf eine niedrigere Drehzahl verschoben und bildet einen Peak A3, wie dieser gestrichelt in Fig. 7 ein­ gezeichnet ist. Auf diese Weise kann das Absinken des Füll­ grades im mittleren Drehzahlbereich begrenzt werden. Würde man die Querschnittsfläche der Einzel-Ansaugleitungen 8 über deren ganze Länge verringern, dann würde sich der Ansaugwiderstand im hohen Drehzahlbereich erhöhen und dadurch wiederum den Füllgrad beeinträchtigen, d. h. die Höhe des Peaks A2 würde verringert.
In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der obere Wandteil der Verbindungsleitung 14 durch den Innenwand­ abschnitt des oberen Teils 17a des Ansaugverteilers 17 ge­ bildet. Der obere Wandteil der Verbindungsleitung 14 kann aber auch durch einen Einsatz 22 gebildet sein, der zwischen dem oberen Teil 17a und dem unteren Teil 17b des Ansaug­ verteilers 17 eingesetzt ist, wie das in Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist.

Claims (7)

1. Ansaugsystem für eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, mit einer Ansaugleitung, die einen zur Atmosphäre hin offenen Sammel-Ansaugstutzen (10), einen abströmseitig an den Sammel- Ansaugstutzen (10) anschließenden Pufferbehälter (9) und eine Mehrzahl von Einzel-Ansaugleitungen (8) umfaßt, welche von dem Pufferbehälter (9) abzweigen und einzeln mit den Zylindern (2) verbunden sind, weiterhin mit einer Verbindungsleitung (14), die jede der Einzel-Ansaugleitungen (8) mit mindestens einer der übrigen Einzel-Ansaugleitungen (8) in einem stromab von dem Pufferbehälter (9) liegenden Abschnitt verbindet, und mit einer Steuereinrichtung (20, 15), welche die Verbindungsleitung (14) im Bereich niedriger Drehzahl versperrt und im Bereich hoher Drehzahl öffnet, wobei die Länge der Einzel-Ansaugleitung (8) von den jeweiligen Zylindern (2) bis zu dem Pufferbehälter (9) bzw. zu der Verbindungsstelle (13) der Einzel-Ansaugleitungen (8) mit der Verbindungsleitung (14) so bemessen ist, daß eine zu Beginn des Ansaughubes in jedem Zylinder erzeugte Unterdruckwelle im Bereich niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine an dem Pufferbehälter (9) und im Bereich hoher Drehzahl an der Verbindungsleitung (14) reflektiert wird und dadurch eine Schwingungsaufladung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Querschnittsfläche (S2) jeder Einzel- Ansaugleitung (8) in dem stromauf von deren Verbindungsstelle (13) mit der Verbindungsleitung (14) liegenden Abschnitt kleiner als die effektive Querschnittsfläche (S1) in dem Abschnitt stromab von dieser Verbindungsstelle (13) ist.
2. Ansaugsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Ansaugleitungen (8) im Querschnitt oval oder langlochartig sind, wobei die längeren Achsen des Querschnitts in Richtung der Zylinderreihe verlaufen.
3. Ansaugsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Ansaugleitungen (8) weitgehend die gleiche Länge haben.
4. Ansaugsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der Einzel-Ansaugleitungen (8) zwischen der Verbindungsstelle (13) der Verbindungsleitung (14) mit den Einzel-Ansaugleitungen (8) und den zugehörigen Zylindern (2) weitgehend die gleiche Länge haben.
5. Ansaugsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Ansaugleitungen (8) bis über den Zylinderkopf (1) der Maschine nach oben gekrümmt und dort mit dem sich in Längsrichtung der Zylinderreihe erstreckenden Pufferbehälter (9) verbunden sind.
6. Ansaugsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (14) einstückig mit dem Pufferbehälter (9) an der Unterseite des Pufferbehälters (9) und auf der dem Zylinderkopf (1) zugewendeten inneren Seite der Einzel-Ansaugleitungen (8) ausgebildet ist.
7. Ansaugsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferbehälter (9), ein Abschnitt (8a) jeder Einzel- Ansaugleitungen (8) und der obere Teil der Verbindungsleitung (14) einstückig zu dem Oberteil (17a) eines Ansaugverteilers (17) ausgestaltet sind und daß ein Abschnitt (8b) jeder Einzel-Ansaugleitung (8) und der untere Teil der Verbindungsleitung (14) einstückig sind und den Unterteil (17b) des Ansaugverteilers (17) bilden, wobei der Oberteil (17a) und der Unterteil (17b) zur Bildung des Ansaugverteilers (17) miteinander verbunden sind.
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