DE4012558A1 - Verfahren zur generierung von frischgasschwingungen in einer ansauganlage fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Verfahren zur generierung von frischgasschwingungen in einer ansauganlage fuer brennkraftmaschinen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Generierung von Frischgasschwingungen in einer Ansaug­ anlage für Brennkraftmaschinen sowie auf eine Ansaug­ anlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1.
Bei einem bekannten Verfahren zur Erzeugung von Frisch­ gasschwingungen in einer Ansauganlage werden deren Ansaugrohre durch Wahl einer bestimmten Länge als Schwingrohre gestaltet. Damit kann in einem engen Drehzahlbereich der Maschine eine an der Einlaßöffnung des Schwingrohres reflektierte Druckwelle über das geöffnete Ventil eine erhöhte Ladung im Zylinder der Maschine bewirken. Um dieses Verfahren in einem größeren Drehzahlbereich anwenden zu können, sind in der Reso­ nanzlänge variable Schwingrohre bekannt.
Bei einem anderen bekannten Verfahren ist es zur Steige­ rung des Luftaufwandes bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine bekannt, die Ansauganlage als Reso­ nanzsystem mit Resonanzrohren und Resonanzbehältern auszubilden. Bei Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen stehen die Resonanzbehälter über Ansaugrohre mit Gruppen von Brennräumen mit gleichen Zünd- oder Einspritz-Abständen in Verbindung. Auch bei diesem Verfahren ist es zur Erzielung eines größeren Drehzahlbereiches bekannt, die Längen und/oder Volumina von Resonanzrohren und Resonanzbehältern zu variieren.
Weiter ist zur Erzielung eines erhöhten Luftaufwandes über einen weiten Bereich von niederen bis zu hohen Drehzahlen die Kombination beider Verfahren in einer Ansauganlage bekannt, beispielsweise DE-A-35 44 122. Während bei dieser Ansauganlage fest vorgegebene Rohr­ längen der einzelnen Systeme betriebspunktabhängig zu- oder abgeschaltet werden, weist eine in Heft 6 der Fachzeitschrift "ATZ" von 1987 auf den Seiten 331 bis 332 beschriebene Ansauganlage stufenlos veränderbare Saugrohrlängen auf. Damit soll der Luftaufwand im gesamten Drehzahlbereich angehoben werden durch Anpas­ sung der Saugrohrlänge auf einen für den jeweiligen Betriebspunkt angepaßte Resonanz der Frischgasschwin­ gungen.
Die bekannten Verfahren lassen sich in nachteiliger Weise nur mit beträchtlichem Bau- und Platzaufwand für die jeweilige Ansauganlage durchführen, wobei der mechanische Steuerungsaufwand nicht unerheblich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Ansauganlage von Brennkraftmaschinen ein neues Verfah­ rensprinzip zur Generierung von Frischgasschwingungen anzugeben, wobei mit dem neuen Verfahren unter Verwen­ dung einer einfachen, gesonderten Einrichtung auch eine Resonanz-Ansauganlage mit kontinuierlich über dem gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine erzeug­ ten Resonanzschwingungen erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird mit dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst. Die Erfindung wird in der für Ansauganlagen von Brennkraftmaschinen neuen Verwendung einer Freistrahl-Einströmung in die Verteilkammer gesehen. Bekanntlich bildet ein Freistrahl beim Austritt aus einer Mündung Schall- bzw. Druck-Wellen auslösende Ringwirbel aus. Diese Schall- bzw. Druck-Wellen setzen sich aus der Verteilkammer in die motorseitigen Ansaug­ rohre fort und erhöhen bei geöffnetem Ventil die Ladung im Zylinder der Maschine. Dieser die Füllung im Zylinder bzw. den Luftaufwand verbessernde Vorgang läßt sich vorteilhaft steigern, indem die Ausbildung der Ringwir­ bel an der Sammelleitungs-Mündung akustisch, d. h. durch Schall- bzw. Druck-Wellen beeinflußt wird.
Die akustische Generierung der Ringwirbel kann nach Anspruch 2 in einfacher Weise für eine vorbestimmte Maschinendrehzahl durch in der Verteilkammer gegenüber der Mündung reflektierte Schall- bzw. Druck-Wellen bewirkt werden. Ein optimaler Luftaufwand wird hierbei nach Anspruch 3 durch eine periodische Erzeugung der Ringwirbel und damit der Schall- bzw. Druck-Wellen erreicht, insbesondere auf einfache Weise, wenn Ring­ wirbel und reflektierte Schall- bzw. Druck-Wellen in Resonanz liegen. Eine sichere Auslösung bzw. Ausbildung ausgeprägter Ringwirbel ist nach Anspruch 4 dadurch erreicht, daß die reflektierten Schall- bzw. Druck- Wellen an der Mündung der Sammelleitung mit im wesent­ lichen maximaler Schall- bzw. Druck-Schnelle auftreten.
Die vorbeschriebene Erfindung ist mit einer nach An­ spruch 7 gestalteten Ansauganlage auf einfachste Weise zu realisieren. Mit der in Anspruch 7 vorgeschlagenen Gestaltung und Dimensionierung der Ansauganlage können für eine vorbestimmte Maschinendrehzahl die gewünschten Resonanzschwingungen erzielt werden. Zur weiteren Verbesserung des Luftaufwandes unterhalb und oberhalb der vorbestimmten Maschinendrehzahl kann die Ansaug­ anlage nach Anspruch 14 mit Sammelleitungen und Verteil­ kammern zusätzlich ein gesondertes Resonanzsystem bilden und weiter nach Anspruch 13 durch als Schwingrohre gestaltete Ansaugrohre ein anderes gesondertes Resonanz­ system umfassen. Damit kann an einer Brennkraftmaschine mit geringstem Bau- und Platz-Aufwand der Ansauganlage der Luftaufwand in mehreren Drehzahlbereichen gesteigert werden.
Um bei einer Brennkraftmaschine mit großer Drehzahl­ spanne einen über den gesamten Drehzahlbereich gestei­ gerten Luftaufwand zu erzielen, wird nach Anspruch 5 in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein gesonderter Schallerzeuger vorgeschlagen. Der Schall­ erzeuger ist in bevorzugter Ausgestaltung nach An­ spruch 6 ein elektro-magnetischer Schallerzeuger, der über einen Schallwechseldruck-Sensor geregelt die Schall- bzw. Druck-Wellen mit den Freistrahl-Ringwirbeln über der Drehzahl der Maschine in Resonanz hält. Damit lassen sich die strömungsmechanisch erregten Freistrahl- Ringwirbel akustisch gesteuert über den gesamten Dreh­ zahlbereich der Maschine erzeugen. Der Vorteil ist eine mit geringem Mehraufwand erzielte variable Resonanz- Ansauganlage mit kontinuierlich über dem gesamten Drehzahlbereich erzeugbaren Resonanzschwingungen zur Steigerung des Füllungsgrades bzw. des Luftaufwandes.
Weitere vorteilhaft konstruktive Ausgestaltungen be­ schreiben insbesondere für eine variable Resonanz- Ansauganlage die Ansprüche 8 mit 12, wobei mit letzt­ genanntem Anspruch eine weitere Möglichkeit der Erzeu­ gung resonanter Frischgasschwingungen in einer Ansaug­ anlage gegeben ist.
Die Erfindung ist anhand zweier in der Zeichnung schema­ tisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 eine erste Resonanz-Ansauganlage mit zu einer Sammelleitung in einer Verteilkammer radial beabstandet angeordneten Ansaugrohren, und
Fig. 2 eine zweite Resonanz-Ansauganlage mit gruppen­ weise angeordneten Ansaugrohren und einer zu diesen im gemittelten Abstand angeordneten Mündung der Sammelleitung.
Eine lediglich schematisch dargestellte Ansauganlage 1 für eine nicht gezeigte mehrzylindrige Brennkraftma­ schine weist eine Sammelleitung 2 auf, die über eine Verteilkammer 3 mit der Maschine zugewandt angeordneten Ansaugrohren 4 luftführen in Verbindung steht. Die Sammelleitung 2 ist mit einer an einem frei in die Verteilerkammer 3 hineinragenden, zylindrischen Lei­ tungsabschnitt 5 angeordneten Mündung 6 ausgebildet. Einlaßöffnungen 7 der Ansaugrohre 4 sind in der Verteil­ kammer 3 gegenüber der Mündung 6 angeordnet. Für im wesentlichen in einer Ebene an die Verteilkammer 3 anschließende Ansaugrohre 4 sind deren Einlaßöffnungen 7 in einem konstanten, radialen Abstand 1R von der Mün­ dung 6 der Sammelleitung 2 angeordnet. Weiter sind die Einlaßöffnungen 7 jeweils an einem in die Verteil­ kammer 3 hineinragenden Rohrabschnitt 8 der Ansaug­ rohre 4 vorgesehen. Schließlich ist der Verteilkammer 3 ein Schallerzeuger 9 zugeordnet, der ein elektro­ magnetischer Lautsprecher ist. Dieser steht mit einer Regelvorrichtung 10 in Verbindung, die einen Schall­ wechseldruck-Sensor 11 in der Verteilkammer 3 umfaßt.
Aus der Mündung 6 am frei in die Verteilerkammer 3 hineinragenden Leitungsabschnitt 5 tritt die Ansaugluft als Freistrahl 12 in die Verteilkammer 3 aus. Mit dem Freistrahl 12 werden an der Mündung 6 Ringwirbel 13 ab- bzw. ausgelöst, wobei mit den Ringwirbel-Ablösungen starke Druckschwankungen in der in der Verteilkammer 3 befindlichen Ansaugluft ausgelöst werden. Zur Nutzbar­ machung dieser Druckschwankungen in den maschinenseiti­ gen Ansaugrohren 4 für eine Steigerung des Füllungs­ grades bzw. des Luftaufwandes der Brennkraftmaschine werden die Ringwirbel 13 periodisch erzeugt. Zur Erzie­ lung einer Ansauganlage von geringem Bau- und Platz- Aufwand werden die periodischen Ringwirbel 13 akustisch angeregt.
Die akustische Anregung kann auf zweifache Art erfolgen. Einmal durch die von den Ringwirbeln 13 ausgelösten Druckschwankungen, wenn diese gegenüber der Mündung 6 in der Verteilkammer 3 reflektiert mit der richtigen Frequenz und Phase an der Mündung 6 ankommen. Ein Resonanzzustand zwischen an der Mündung 6 ankommenden reflektierten Druckschwankungen bzw. Schall- oder Druck-Wellen und dadurch angeregten Ringwirbeln 13 wird über einen für eine bestimmte Maschinendrehzahl festge­ legten Abstand 1R zwischen der Mündung 6 der Sammel­ leitung 2 und den Einlaßöffnungen 7 der Ansaugrohre 4 erzielt. Für diesen Resonanzzustand besonders günstig ist ein über die Strouhalzahl St = f×d/u mit einem St-Wert von ca. 0,5 bestimmter Durchmesser der Mündung 6 der Sammelleitung 2 (u = Ansaugluftgeschwindigkeit; f = Ladungsfrequenz; d = Mündungsdurchmesser).
Aus den vorstehenden Ausführungen folgt ferner, daß ein zu einer anderen Drehzahl passender Resonanzzustand über einen geänderten Abstand 1R erzielbar ist. Hierfür ist beispielsweise ein in der Länge variabler, teleskopartig ausgebildeter Leitungsabschnitt 5 denkbar.
Aus der vorgenannten Strouhalzahl St kann eine weitere Art der Resonanzanpassung durch einen im reziproken Verhältnis zur Ladungsfrequenz (f) variablen Querschnitt der Mündung 6 der Sammelleitung 2 abgeleitet werden.
Mit den vorgenannten Möglichkeiten gleichwertige Ergeb­ nisse werden schließlich mit dem der Verteilkammer 3 zugeordneten elektro-magnetischen Lautsprecher bzw. Schallerzeuger 9 erzielt. Mit diesem können zu jedem Betriebspunkt im gesamten Drehzahlbereich der Brenn­ kraftmaschine Schall- bzw. Druck-Wellen zur Anregung von Ringwirbeln 13 erzeugt werden, die der Generierung von Druck-Wellen im Frischgas bzw. von Frischgasschwingungen dienen. Die betriebspunktabhängige Anregung periodischer Ringwirbel 13 wird in Frequenz und Phase mit den erzeug­ ten Ringwirbeln 13 über die Regelvorrichtung 10 in Resonanz gebracht. Damit ist eine variable Resonanz- Ansauganlage 1 mit kontinuierlich über dem gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine erzeugbaren Resonanzschwingungen erreicht, deren in der Ansaugluft der Ansauganlage 1 erzeugte Druckwellen über die Ansaug­ rohre 4 bei abgestimmt geöffneten Einlaßventilen der Füllungsgradsteigerung dienen. Im übrigen kann die Schallenergie des Schallerzeugers vorteilhaft klein sein, wenn dessen mit den Ringwirbeln 13 in Resonanz liegenden Schall- bzw. Druck-Wellen an der Mündung 6 der Sammelleitung 2 mit im wesentlichen maximaler Schall- bzw. Druck-Schnelle auftreten.
Die Wirksamkeit der in das jeweilige Ansaugrohr 4 beim Ansaugtakt eintretenden Druckwellen wird zusätzlich durch in die Verteilkammer 3 vorstehende Rohrab­ schnitte 8 der Ansaugrohre 4 unterstützt. Die dem jeweiligen Rohrabschnitt 8 mit der Einlaßmündung 7 im wesentlichen koaxial zulaufenden Ringwirbel 13 werden über die freien Enden der Rohrabschnitte 8 mit rascher Bewegung seitwärts abgedrängt mit der Folge einer initialen Rückwirkung auf die Druck- bzw. Schall-Wellen.
Die vorstehend dargelegten Funktionen nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren gelten auch für eine in Fig. 2 dargestellte Ansauganlage 14, bei der mehrere Ansaug­ rohre 15 und 16 gruppenweise zusammengefaßt übereinander angeordnet an eine Verteilkammer 17 anschließen. Eine Mündung 18 einer Sammelleitung 19 ist von Einlaßöffnun­ gen 20 der Ansaugrohre 15 und 16 gemittelt beabstandet. Die Mündung 18 der Sammelleitung 19 ist an einem Leitungsabschnitt 21 ausgebildet, der in die Verteil­ kammer 17 frei hineinragt zur Freistrahl-Einströmung der Ansaugluft. Der Verteilkammer 17 ist schließlich ein Schallerzeuger 22 zugeordnet.
Im Rahmen der Erfindung können die Ansaugrohre 4 und 15, 16 der beiden Ansauganlage 1 und 14 jeweils zusätzlich als Schwingrohre dienen. Zusätzlich können auch Sammel­ leitungen 2 bzw. 19 und Verteilkammern 3 bzw. 17 jeweils ein gesondertes Resonanzsystem bilden.

Claims (15)

1. Verfahren zur Generierung von Frischgasschwingungen in einer Ansauganlage für Brennkraftmaschinen,
  • - wobei eine Sammelleitung (2, 19) über eine Verteil­ kammer (3, 17) mit einem der Maschine zugewandt angeordneten Ansaugrohr (4; 15, 16) luftführend in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß eine Freistrahl-Einströmung (12) in die Verteilkammer (3, 17) aus der Sammelleitung (2, 19) mit an deren Mündung (6, 18) akustisch angeregten Ringwirbeln (13) der Generierung füllungssteigern­ der Druckschwankungen (Schall- bzw. Druck-Wellen) in der Ansauganlage (1, 14) dient.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schall- bzw. Druck-Wellen generierenden Ringwirbel (13) eines im wesentlichen zylindrischen Freistrahles (12) durch in der Verteilkammer (3, 17) gegenüber der Mün­ dung (6, 18) der Sammelleitung (2, 19) reflektierte Schall- bzw. Druck-Wellen erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringwirbel (13) durch Resonanz mit den reflektierten Schall- bzw. Druck-Wellen periodisch erzeugt werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierten Schall- bzw. Druck-Wellen an der Mündung (6, 18) der Sammelleitung (2, 19) mit im wesentlichen maximaler Schall- bzw. Druck-Schnelle (Schwingungsknoten) auftreten.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein gesonderter Schall­ erzeuger (9, 22) verwendet wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeich­ net durch einen elektro-magnetischen Schallerzeuger (Lautsprecher 9, 22), der
  • - über einen Schallwechseldruck-Sensor (11) geregelt die Schall- bzw. Druck-Wellen mit den Freistrahl- Wirbeln (13) über der Drehzahl der Maschine in Resonanz hält.
7. Ansauganlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Mündung (6, 18) der Sammelleitung (2, 19) an einem frei in die Verteilkammer (3, 17) hinein­ ragenden Leitungsabschnitt (5, 21) angeordnet ist, und
  • - daß die Einlaßöffnung (7, 20) des Ansaug­ rohres (4; 15, 16) in einem Bereich gegenüber der Mündung (6, 18) in einem Abstand (1R) angeordnet ist, der
  • - einem Vielfachen einer in der Verteilkammer (3, 17) ansaugrohrseitig reflektierten Schall- bzw. Druck-Welle entspricht.
8. Ansauganlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ansaugrohre (4) mit ihren Einlaßöffnungen (7) in im wesentlichen radialen, gleichen Abständen (1R) von der Mün­ dung (6) der Sammelleitung (2) angeordnet sind.
9. Ansauganlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß mehrere Ansaugrohre (15, 16) gruppenweise zusammengefaßt übereinander angeordnet an die Verteilkammer (17) anschließen, und
  • - daß die Mündung (18) der Sammelleitung (19) von den Einlaßöffnungen (20) der Ansaugrohre (15, 16) gemittelt beabstandet ist.
10. Ansauganlage nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugrohre (4) jeweils einen in die Verteilkammer (3) hineinragen­ den Rohrabschnitt (8) aufweisen.
11. Ansauganlage nach den Ansprüchen 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Mündung (6, 18) der Sammelleitung (2, 19) über die Strouhalzahl (St) mit einem gewählten St-Wert von ca. 0,5 bestimmt ist.
12. Ansauganlage nach den Ansprüchen 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Mündung (6, 18) der Sammelleitung (2, 19) gemäß der Strouhalzahl (St) im reziproken Verhältnis zur Ladungsfrequenz (f) variabel ist.
13. Ansauganlage nach den Ansprüchen 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaug­ rohre (4; 15, 16) als Schwingrohre gestaltet sind.
14. Ansauganlage nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Sammelleitungen (2, 19) und Verteilkammern (3, 17) gesonderte Resonanz­ systeme bilden.
15. Ansauganlage nach den Ansprüchen 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitungsab­ schnitt (5, 21) der Sammelleitung (2, 19) in der Verteilkammer (3, 17) in der Länge variabel ange­ ordnet ist.
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