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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Reduzierung von Druckschwingungen in einem Lufteinlasssystem
eines Verbrennungsmotors mit Turbolader, bei welchem ein Turbolader über einen
Ladeluftkühler
Luft an einen Einlasskrümmer
liefert, in oder an welchem ein langgestreckter Hohlkörper vorgesehen
ist, um die Druckschwingungen in dem Einlasskrümmer zu reduzieren.
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Ein solches Verfahren ist in der GB-A-2026091
beschrieben.
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Bei manchen Motordesigns kann die
Luftfüllsequenz
der Zylinder stehende Druckwellen in der Luftsäule des Einlasskrümmers verursachen,
die zu einer sich von Zylinder zu Zylinder unterscheidenden Luftzufuhr
und daher zu einem unterschiedlichen Kompressionsdruck und Maximaldruck
führen
kann. Dadurch kann die Ausgangsleistung des Motors auf vielfältige Weise
beeinträchtigt
werden. Die Bildung von Stickoxiden (NOx)
in einem Verbrennungsmotor steigt mit einer zunehmenden Verbrennungstemperatur.
Internationale Normen legen maximal zulässige NOx-Pegel
im Abgas fest. Infolgedessen wird eine geringe NOx Emission
gegen, gute Kraftstoffverbrauchswerte abgewogen. Bei einem Dieselmotor kann
eine Luftzufuhr, die von Zylinder zu Zylinder eine andere ist, infolge
einer reduzierten Luftfüllung in
einigen der Zylinder zu einer vermehrten Rußemission führen.
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Bei einem Gasmotor, der bei einem
Verbrennungsdruck nahe dem Klopf-Verbrennungsgrenze arbeitet, begrenzt
der maximale Arbeitszylinderdruck die erreichbare Leistungsabgabe
des Motors, so dass Variationen der Luftfüllung deshalb zu einer reduzierten
Motorleistung führen.
Der gleiche Effekt bewirkt auch einen erhöhten spezifischen Kraftstoffverbrauch.
Ein Verfahren zur Lösung
dieses Problems ist eine Erhöhung
des Volumens des Einlasskrümmers,
bis die Amplitude der Druckschwingung unbedeutend wird. Dieses Verfahren
führt zu
einer Reihe von Nachteilen, zum Beispiel zu einem großen und raumfordernden
Einlasskrümmer,
zu einem schlechten Einschwingverhalten und zu einem erhöhten Energiepotential,
das bei einer eventuellen Explosion in dem Einlasskrümmer von
Gasmotoren, bei denen Brennstoffgase vor dem Krümmer mit Luft gemischt werden,
entladen wird. Es ist nicht unbekannt, einen Resonator in einem
Luftansaugsystem anzuordnen. Sowohl das US-Patent 4,625,686 als
auch das US-Patent 4,513,699 beschreiben verschiedene Lösungen zur
Anwendung eines Resonanzrohres in einem Luftansaugsystem. Die Ziele
der vorgenannten Patentdokumente unterscheiden sich von dem, was mit
vorliegender Erfindung erreicht wird, und sie beschreiben auch Lösungen,
die die vorgenannten Probleme insofern nicht lösen können, als sich deren Design
erheblich von der vorliegenden Erfindung unterscheidet. Die Resonanzrohre
sind an beiden Enden offen, und die Ladeluft wird durch die Rohre
zugeleitet, etwas, das zu einem dynamischen Druckanstieg in dem
Luftansaugsystem führt,
wodurch die Motorleistung angehoben wird. Das US-Patent 4,625,686 beschreibt
ein Lufteinlasssystem für
einen Sechszylindermotor, bei welchem zumindest ein Resonanzbehälter über ein
Länge verfügt, die
ausreichend ist, um alle Einlässe
der Zylinder abzudecken, und bei welchem die Luftzufuhr von dem
Turbolader über
die Resonanzrohre durch einen Zufuhrbehälter in der Form einer Abdeckung
erfolgt. Eine der Aufgaben der Erfindung ist die Bereitstellung
einer zusätzlichen
Ladeverstärkung,
d. h. eine Erhöhung
des Ladeluftdrucks an die Zylinder mittels des integrierten Resonanzrohres
in dem Einlass zu dem Lufteinlass. Das US-Patent 4,513,699 beschreibt
ein System zum Reduzieren der Größe des Lufteinlasssystems
eines Verbrennungsmotors wegen des begrenzten Raums, der unter der
Motorhaube eines Fahrzeugs zur Verfügung steht, bei welchem sich
der Querschnitt des Resonanzrohres in der Längsrichtung ab zumindest dem
sich an die Resonanzkammer anschließenden Rohrende verringert
und bei welchem die Resonanzkammer auf solche Weise angeordnet ist,
dass sie sich an die Zylinder des Motors anschließt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist die Beseitigung der vorstehend genannten Nachteile und auch,
dass unerwünschte
Druckschwingungen in dem Lufteinlass bei einem Verbrennungsmotor, vorzugsweise
bei Diesel- und Gasmotoren, reduziert werden oder diesen entgegengewirkt
wird mit einer Konstruktion, die so einfach und kompakt wie möglich ist
und mit der kleinst möglichen
Volumenänderung
des Einlasskrümmers.
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Erfindungsgemäß wird als Ausgangspunkt angenommen,
dass eine stehende Druckwelle mit einer gegebenen Frequenz vorhanden
ist, die mit der Betriebsgeschwindigkeit des Motors verbunden ist. Die
Schwankungen des harmonischen Drucks und des Massenflusses haben
eine Phasenverschiebung von 90 Grad, und die Spitze der Druckschwankung gipfelt
an dem geschlossenen Ende des Einlasskrümmers, in dem der Massenfluss
nichts anderes als Null sein kann. Eine Änderung dieser Bedingungen
am Ende des Einlasskrümmers
wirkt sich auf die Schwankungen aus.
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Die oben genannte Aufgabe wird gelöst, in dem
der Hohlkörper
so ausgelegt wird, dass er in Resonanz gebrachte Luft liefert und
einen schwingenden Volumenfluss erzeugt, der groß genug ist, um Druckwellen
im Einlasskrümmer
entgegenzuwirken.
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Vorzugsweise kann das eine Ende des
Hohlkörpers
geschlossen sein, und das andere, offene Ende ist an dem geschlossenen
Ende des Einlasskrümmers
in einem Abstand angeordnet, der einem Wert zwischen etwa der Hälfte und
dem Fünffachen, vorzugsweise
dem Einfachen des effektiven Durchmessers des Körpers entspricht, und die Länge des Hohlkörpers kann
durch die Druckwellenfrequenz der Luft in dem Körper und die tatsächliche
Schallgeschwindigkeit in der Luft bestimmt werden.
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Ferner betrifft die Erfindung ein
Lufteinlasssystem in einem Verbrennungsmotor, umfassend einen Turbolader
und einen mit einem Einlasskrümmer verbundenen
Ladeluftkühler,
wobei ein langgestreckter Hohlkörper,
der Druckwellen indem Einlasskrümmer
reduziert, in dem oder angrenzend an den Einlasskrümmer angeordnet
ist.
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Gemäß der Erfindung umfasst der
Hohlkörper
ein erstes Ende, an oder in welchem der Hohlkörper geschlossen ist, und ein
zweites Ende, an dem der Hohlkörper
ganz oder teilweise offen ist.
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Es werden bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung beschrieben, wobei der langgestreckte Hohlkörper einen
rohrförmigen
Körper
oder ein Rohr umfasst, dessen offenes Ende an dem geschlossenen
Ende des Einlasskrümmers
und in einem Abstand von dem geschlossenen Ende des Einlasskrümmers angeordnet
ist, der etwa der Hälfte
bis dem Fünffachen
und vorzugsweise dem Einfachen des effektiven Durchmessers des Körpers entspricht. Der
im wesentlichen langgestreckte Hohlkörper ist in Längsrichtung
innerhalb des Einlasskrümmers
oder angrenzend an den Einlasskrümmer
angeordnet oder in den Einlasskrümmer
integriert, und der Hohlkörper
umfasst einen einstellbaren Kolben, der an einem Ende des Körpers angeordnet
ist.
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Die Erfindung wird nunmehr unter
Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen weiter beschrieben.
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1 zeigt
ein Lufteinlasssystem, das ein Beispiel einer bevorzugten Vorrichtung
gemäß der Erfindung
umfasst, die in einem Einlasskrümmer
angeordnet ist.
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2 zeigt
die erfindungsgemäße Vorrichtung
entsprechend 1 bei Anordnung
angrenzend an den Krümmer.
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3 zeigt
schematisch Druckwellen an dem Ende eines Einlasskrümmers, die
während
Testläufen
der vorliegenden Erfindung gemessen wurden.
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Bei Diesel- und Gasmotoren, die für mittlere Geschwindigkeiten
ausgelegt sind, ist der Turbolader am Ende des Motorrahmens montiert.
Die Luft aus dem Kompressor 10 des Turboladers wird durch
einen Ladeluftkühler 11 und
in einen Einlasskrümmer 12 geleitet,
der entlang des Motors verläuft
und mit den einzelnen Einlassöffnungen
(wovon zwei durch Bezugsziffer 24 angegeben sind) der Zylinder
verbunden ist, was dem Fachmann hinlänglich bekannt ist. Der Einlasskrümmer kann
als gestreckter Körper oder
gestreckter Behälter
ausgebildet sein, der auf den Motor geflanscht ist, oftmals mit
einem pro Zylinderblock bei einem V-Motor. Der Einlasskrümmer kann
auch ein in den Motorrahmen integriertes Volumen sein, wobei es
im Falle dieser Lösung
normal ist, dass sich die Zylinderbänke an einem V-Motor ein gemeinsames
Volumen teilen.
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1 zeigt
einen Abschnitt eines Lufteinlasssystems, umfassend einen Einlasskrümmer 12, in
welchem ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
angeordnet ist. Zur Beeinflussung der Druckschwankungen in dem Einlasskrümmer 12 ist
in dem Einlasskrümmer
ein im wesentlichen langgestreckter Hohlkörper 14a angeordnet,
der ein erstes, geschlossenes Ende 16a und eine zweites,
offenes Ende 18a aufweist, wobei das offene Ende 18a an
dem geschlossenen Ende 20 des Einlasskrümmers angeordnet ist.
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Wenn eine stehende Druckwelle in
dem Einlasskrümmer 12 entsteht,
wird der Hohlkörper 14a erregt,
um für
eine Luftbewegung zu sorgen, d. h. es wird ein oszillierender Luftstrom
gebildet, der groß genug
ist, um den Druckwellen in dem Einlasskrümmer 12 entgegen zu
wirken. Dies kann ein passives System sein, dessen Eigenfrequenz
derart eingestellt ist, dass sie mit der Frequenz der ungewollten Druckwellen
koinzidiert. Mit der vorliegenden Erfindung wird eine fast vollständige Eliminierung
der unerwünschten
Druckwellen erreicht. Eine Lösung
wie diese ist auch eine sehr kompakte Konstruktion.
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2 zeigt
einen entsprechenden, im wesentlichen langgestreckten Hohlkörper 14b,
der an der Außenseite
des Einlasskrümmers 12 angeordnet ist.
Aus räumlichen Überlegungen
kann das Volumen des Einlasskrümmers 12 in
manchen Fällen
zu klein sein, um einen zusätzlichen
Hohlkörper
aufnehmen zu können.
In diesem Fall kann der Hohlkörper 14b an
der Außenseite
des Einlasskrümmers
12 angeordnet sein und umfasst entsprechend der ersten Ausführungsform
ein erstes, geschlossenes Ende 16b und ein zweites, offenes
Ende 18b, das an dem geschlossenen Ende des Einlasskrümmers 20 angeordnet
ist. Der Hohlkörper 14b kann
entlang des Einlasskrümmers 12 angeordnet
sein und kann dann zum Beispiel einen gekrümmten Teil 22 an dem
zweiten offenen Ende 18b aufweisen. Andere Möglichkeiten
für die
Anbringung des Hohlkörpers
sind natürlich ebenfalls
denkbar. Die Anordnung des Hohlkörpers ist
abhängig
von der Form des Einlasskrümmers
und des Motors und natürlich
von dem Platz in dem Einlasskrümmer.
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Ein geschlossenes Ende impliziert,
dass der Hohlkörper 14a, 14b an
einem Ende mit einer Barriere verschlossen werden kann, zum Beispiel
durch eine Abdeckung, die in oder an dem zu verschließenden Ende
befestigt wird, oder zum, Beispiel durch einen verschiebbaren Kolben.
Selbstverständlich
kann der Hohlkörper
auch auf eine andere bekannte Weise mit einer solchen Barriere,
die an dem oder in das Ende integriert ist, hergestellt werden.
Der Hohlkörper
kann auch ein integrierter Teil des Einlasskrümmers selbst sein, wenn dieser
zum Beispiel als Gußteil
(nicht gezeigt) hergestellt wird.
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Der Hohlkörper (14a, 14b)
kann in einer bekannten Weise an dem Einlasskrümmer befestigt sein, zum Beispiel
durch Schweißen
von Befestigungspunkten auf den Körper für die Verbindung in oder mit
dem Krümmer
mittels Schrauben/Bolzen, oder er kann in oder an den Einlasskrümmer geschweißt sein
oder auf andere Weise dauerhaft oder lösbar mit dem Einlasskrümmer verbunden
sein.
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In einer alternativen Ausführungsform
kann der Hohlkörper
einen beweglichen Kolben umfassen, der innerhalb des Hohlkörpers angeordnet
ist (nicht dargestellt). Der Kolben kann bewegt und verwendet werden,
um eine Feineinstellung der Eigenfrequenz des Hohlkörpers vorzunehmen.
Da die Druckamplitude in dem Hohlkörper wesentlich größer ist
als die ursprüngliche
Druckamplitude in dem Einlasskrümmer, kann
das Volumen des Hohlkörpers
viel kleiner sein als das Volumen des Einlasskrümmers.
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Als Konsequenz der Einschränkungsbedingungen
für den
Hohlkörper
schwankt die Luftsäule mit
einem Verschiebungsmodus an dem geschlossenen Ende des Körpers und
mit einem Druckmodus an dem offenen Ende. Die Modusform der ersten
Eigenfrequenz hat die Form einer Viertelwelle, d. h. die Wellenlänge, die
der Frequenz der Form der ersten Eigenfrequenz entspricht, beträgt vier
Mal die Länge des
Hohlkörpers.
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Ein derartiger Körper, bei dem die erste Eigenfrequenz
der Luftsäule
in dem Rohr der Frequenz der ungewollten Druckwellen in dem Einlasskrümmer entspricht,
ist ein sehr effektiver Resonator, wenn er so angeordnet ist, dass
sein offenes Ende mit dem geschlossenen Ende des Einlasskrümmers verbunden
ist. Die Länge
des Hohlkörpers
wird durch die Wellenfrequenz und die tatsächliche Schallgeschwindigkeit
der Luft bestimmt, die wiederum durch die Temperatur gegeben wird.
Das Volumen entscheidet seine "Atmungskapazität", d. h. es muss ein zweckdienliches
Verhältnis
zwischen Länge
und Durchmesser vorhanden sein.
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Die Schallgeschwindigkeit in Luft
in dem Einlasskrümmer
wird anhand der folgenden Formel ermittelt:
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Dabei werden die folgenden Einheiten
eingetragen:
α Geschwindigkeit
κ isentropische
Luftkonstante
R Gaskonstante von Luft
T Lufttemperatur
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Die Wellenlänge wird ermittelt durch die
Gleichung:
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Die Länge des Hohlkörpers wird
dann ermittelt durch:
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3 zeigt
schematisch Druckschwingungen am Ende eines Einlasskrümmers, wobei
die beiden Graphen jeweils Druckschwingungen mit und ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung
zeigen. Dies sind Messungen, die während tatsächlicher Tests der Erfindung
an Motoren gemacht wurden. Bei diesem Motortest wurde ein zylindrisches
Rohr mit einem Durchmesser von 100 mm verwendet. Wie erwähnt, ist
es die Kapazität
des Körpers,
die für
die Bestimmung der Dimensionen entscheidend ist, d. h. des Durchmessers
bei einer gegebenen Länge,
so dass auch ein anderer Durchmesser verwendet werden kann. Dies
wiederum hängt
von dem Volumen des Einlasskrümmers
und der Amplitude der Druckschwingungen ab.
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Die durchgezogene Linie zeigt die
stehenden Druckwellen in dem Einlasskrümmer ohne den Hohlkörper, gemessen
bei 75% Last und an der Endabdeckung des Einlasskrümmers. Der
Druck schwankt mit doppelter Amplitude nach oben in Richtung 0,45
bar. Wie vorstehend erwähnt,
kann dies stehende Druckwellen in der Luftsäule in dem Einlasskrümmer verursachen,
was wiederum dazu führen
kann, dass die Luftfüllung
von Zylinder zu Zylinder verschieden ist und daher die Kompressionsdrücke und
die maximalen Zylinderdrücke
ungleich sind. Dies hat negative Auswirkungen auf die Leistungsabgabe
des Motors.
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Die gestrichelte Linie zeigt die
Druckschwingungen in dem Einlasskrümmer mit dem Hohlkörper, gemessen
bei 85% Last und an der Endabdeckung des Einlasskrümmers. Die
offensichtliche stehende Wellenform ist nicht mehr vorhanden oder
ist eindeutig reduziert. Der Druck schwankt in diesem Fall mit einer
bedeutend reduzierten Doppelamplitude von 0,15 bar, und das Schwingungsphänomen wird
durch Moden und Rauschen höherer
Ordnung dominiert. Wie die Zahlen zeigen, wird die Amplitude bei
0,15 bar gegenüber
0,45 bar mit einem Wert zwischen 60% und 70% reduziert.
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Wie 3 zeigt,
bietet die vorliegende Erfindung ein besonders geeignetes Verfahren
zum Reduzieren von Druckwellen in einem Lufteinlasssystem eines
Verbrennungsmotors und eine entsprechende Vorrichtung an einem Lufteinlasssystem
eines Verbrennungsmotors. Das Verfahren und die Vorrichtung können in
allen Verbrennungsmotoren mit Lufteinlasssystemen verwendet werden,
die einen Einlasskrümmer
aufweisen, vorzugsweise aber in Diesel- und Gasmotoren und besonders
bevorzugt in Gasmotoren mit 9 oder 18 Zylindern, wobei es auch auf
die Umdrehungszahl ankommt und darauf, ob der Motor ein Vier- oder
ein Zweitaktmotor ist.
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Ein Hohlkörper, wie zum Beispiel ein
rohrförmiger
Resonator, ist in den meisten Fällen
relativ einfach an einem Motor zu befestigen und benötigt wenig
Raum. In Fällen,
in denen die Länge
des Rohres die Länge
des Einlasskrümmers
nicht überschreitet und
der Querschnitt des Einlasskrümmers
ausreichend groß ist,
kann das Rohr in dem Einlasskrümmer
angeordnet werden. Hier ist das Rohr so angeordnet, dass das offene
Ende des Rohres zum Beispiel in einem Abstand von dem Ende des Einlasskrümmers angeordnet
ist, der gleich seinem effektiven Durchmesser ist. Wenn dies nicht
möglich
ist, kann das Rohr zum Beispiel an der Außenseite des Motor angeordnet
werden, mit Verbindungen zu dem Einlasskrümmer an dessen Ende.
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Für
eine Anbringung in dem Einlasskrümmer kann
der Hohlkörper
zum Beispiel aus Standardrohren in Stahl, Metall oder anderen Materialien
hergestellt werden und braucht keinen perfekt kreisförmigen Querschnitt
zu haben, der entlang des Rohres konstant ist, sondern kann andere
geometrische Querschnitte zeigen, die geeignet sind, die gleichen Charakteristiken
zur Verfügung
zu stellen und die entlang des Rohres variieren können. Das
gleiche gilt, wenn der Hohlkörper
an der Außenseite
des Motors angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß werden somit ein Verfahren
und eine Vorrichtung für
einen Verbrennungsmotor mit Turbolader zur Verfügung gestellt, womit die Druckwellen
in einem Einlasskrümmer
auf solche Weise reduziert werden, dass die Zylinder des Motors
in etwa die gleiche Luftfüllung
haben.
