DE7821735U1 - Aufgeladene mehrzylindrige kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

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Aufgeladene mer.rriylindrige Kolbenbrennkraftmaschine >

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene mehrzylindrige Kolbenbrennkraftmaschine gemäss Oberbegriff des Schutzanspruches 1.

Es ist bekannt, zum Leistungssteigerung von Kolbenbrennkraftmaschinen die angesaugte Frischluft durch einen Lader, meistens einen Turbolader, dessen Verdichter von einer Turbine angetrieben wird, wozu die Energie der Auspuffgase der Kolbenbrennkraftmaschine verwendet wird, unter höheren Druck zu setzen. Aufgrund der Charakteristiken vom Verdichter- und Turbinenrad dieser sogenannten Abgasturbolader ist die Druckerhöhung am grössten bei hohen Betriebsdrehzahlen der Kolbenbrennkraftmaschine. Daraus resultiert ein für den Fahrbetrieb von Fahrzeugen ungünstiger Drehmomentenverlauf in Funktion der Motordrehzahl sowie sehr hohe Spitzendrücke bei hohen Betriebsdrehzahlen.

Es ist bereits vorgeschlagen worden (DE-PS 1 935 155) diesen ungünstigen Verlauf zu korrigieren durch Kombination von Abgasturbolader mit einem Einlassleitungssystem des Motors, welches derart ausgelegt ist, dass die Pulsationen der von den Ansaugtakten angefachten Frischgassäule bei niedrigen Drehzahlen der Kolbenbrennkraftmaschine mit der Anfachung in Resonanz stehen.

Es ist weiterhin bekannt, dass Kolbenbrennkraftmaschinen₅ welche mittels einer Druckwellenmaschine aufgeladen werden, in welcher die Frischgase immittelbar von den aus den

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Zylindern ausströmenden Abgasen in Zellen von einem in der Regel mit der Kurbelv/elle der Kolbenbrennkraftmaschine drehverbundenen Zellenrad komprimiert werden, den Nachteil der abgasturboaufgeladenen Motoren nicht aufweisen. Eine Korrektür der Drehmomentenkurve ist demnach nicht notwendig, weshalb die Kombination eines Druckwellenladers mit einem speziell für einen bestimmten Drehzahlbereich, insbesondere für niedrige Drehzahlen,auf Resonanz der Frischgassäulenpulsationen ausgelegten Einlasssystems des Motors bisher als unnütze Komplikation angesehen wurde.

Druckwellenmaschinen neigen im oberen Vollastdrehzahlbereich des Motors zu einer Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades, was durch die hohe Luftentnahme des Motors aus dem Aufladeaggregat bedingt ist. Die Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades einer Auflademaschine hat eine Erhöhung der Spitzendrücke in den Motorzylindern zur Folge.

Der Rotor ler Druckwellenmaschine ist üblicherweise über einen Riemenantrieb mit festem Uebersetzungsverhältnis mit der Kurbelwelle gekoppelt. Es ist bekannt, dass zum Beispiel über die Drehzahlregelung der Druckwellenmaschine

oder mit einem variablen Uebersetzungsverhältnis zwischen Druckwellenrotor und Motorkurbelwelle eine bessere Anpas-... sung gefunden werden kann. Diese Massnahme verschiebt je-

; doch lediglich den optimalen Wirkungsgrad des Druckwellen-

^: 25 laders in einen anderen Motordrehzahlbereich.

^ Der im Kennzeichen des Patentanspruchs gekennzeichneten Er-

^ findung liegt die Aufgabe zugrunde, den Luftdurchsatz durch

.* den Motor im oberen Drehzahlbereich zu reduzieren, um die

a vorgenannten Nachteile vermeiden zu können.

30 Der besondere Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass * ...

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überraschenderweise cine solche Kombination eine Verminderung des spezifischen Brennstoffverbrauches bei Motornenndrehzahl hervorbringt. Mit einem gleichfalls auf niedrige Motordrehzahlen ausgelegten Resonanzsystem beträgt die Verbesserung bis zu 5 J.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann die Ladeluft vor dem Eintritt in die Brennkraftmaschine gekühlt werden, wozu als Kühlmittel entweder Kühlwasser der Brennkraftmaschine oder Spülluft der Druckwellenmaschine verwendet werden kann.

Es empfiehlt sich ferner, dass bei Motoren, bei welchen Ein- und Auslassventile auf der gleichen Motorseite angeordnetsindj auch die Druckwellenmaschine und das Mehr — fachsystem auf einer gleichen Motorseite angeordnet werden.

Eine besonders kompakte Anordnung ergibt sich, wenn der Luftfilter, die Druckwellenmaschine, das Mehrfachsysten. und der Ladeluftkühler als bauliche Einheit ausgebildet werden.

Iⁿ der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht wiedergegeben.

Es zeigt:

Fig. 1 das Prinzipschema einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig..2 eine erste Abwandlung der Anordnung gemäss Fig. 1, Fig. 3 eine zweite Abwandlung der Anordnung gemäss Fig. 1,

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Fig. 4 eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung,

Fig. 5 eine Abwandlung der Anordnung gemäss Fig. 4.

Die in Fig. 1 mit 19 bezeichnete Reihenbrennkraftmaschine ist ein mit einem Saugrohrsystem arbeitender Sechszylinder-Dieselmotor. Er besitzt ein Einlass- und ein Auslassventil je Zylinder. Versieht man die sechs Zylinder des Viertakt-Motors mit einer laufenden Numerierung, so ergibt sich die Zünd- und demgemäss auch die Ansaugfolge der Zylinder von

einen Xurber.wellenverdrehungswinkel von 2^0°. Es folgen die Zylinder 1, 3 und 2, sowie die Zylinder 5, 6 und 4 einander in der Zündung. Dieser Winkelwert stimmt praktisch mit dem Oeffnungswinkel der zu den einzelnen Zylindern gehörenden nicht dargestellten Einlassventile überein.

Deshalb sind die Ansaugperioden der einzelnen Zylinder sowohl bei der aus den Zylindern 1, 2 und 3> als auch bei der aus den Zylindern 4, 5 und 6 bestehenden Zylindergruppe aufeinanderfolgend angeordnet, d.h. ihre Ansaugperioden überdecken einander entweder überhaupt nicht oder r.ur in einem geringen Masse. Die Saugkanäle 1', 2', und 3' der· Zylinder 1, 2 und j sind demgemäss zu den sich r.ach Ansaugperioden gegenseitig nicht oder nur wenig überdeckenden Zylindern gehörende Saugkanäle und münden erfindungsgernäss in ein gemeinsames F.esonanzvolumen 9'· In ähnlicher Wei.-.e sind die zu der. Zylindern 4, 5 und 6 gehörenden Saugkanäle 4', ¹O' und 6' ebenso an ein gemeinsames Resonanzvoiurr.en 9 ar.g'. schlossen. Ar, das Resonanz volumen 9' ist ein Resor.j.nzrohr 8', an das Resonanzvolumen 9 das Resonanzrohr 8 angeschlossen, welche beide in einen gemeinsamen Ausgleichbehälter 11 münzen. Dieser Ausgleichbehälter 11 ist durch die Ladeluftleitung 14 mit dem Druckstutzen der FrioOhgasseite der Druckwellenmaschine 10 verbunden.

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DIe Dimensionen der Resonanzvolumen 9, 9¹ und der Resonanzrohre 8, 8' sind folgendermassen festgelegt: Das jeweilige Resonanzvolumen ist grosser als das Gesamtvolumen, jedoch kleiner als das zweifache Gesamtvolumen der mit ihm verbundenen Zylinder. Der Durchmesser des Resonanzrohres ist grosser als das 0,012-fache, jedoch kleiner als das 0,017-fache des Ausdruckes "V'V^-n^, worin V„ das Gesamthubvolumen der an einem Resonanzvolumen angeschlossenen Zylinder und η die Moüornenndrehzahl ist. Hierbei wird unter Durch-

IQ messer der Durchmesser eines Kreises verstanden, dessen Fläche gleich der des Durchströmquerschnittes des Resonanzrohres 8 bzw. 8' ist.

Aus den Auslasskanälen 1" bis 6" strömt das Abgas des Motors nach Ausgleich von Druckänderungen im Sammelrohr 15 dem Rotor der Druckwellenmaschine 10 zu. Hier gibt es über Druckwellen Energie an die Luft in den nicht bezeichneten Zellen des Rotors ab und verlässt die Maschine in Richtung 21 zum nicht dargestellten Auspuff. Bei 20 angesaugte Frischluft, die während der Drehung des Zellenrotors im Druckv;ellenzyklu3 komprimiert wird, gelangt durch die Ladeluftleitung I^ in den Ausgleichbehälter 11 und von dort über das eigentliche Resonanz- oder Mehrfachsystem bestehend aus den Resonanzrohren 8, 8' und den Resonanzvolumen 9j 9' zum Motor 19. In Fig. 1 nicht dargestellt ist der Antrieb des Zellenrotors der Druckwellenmaschine 10 zur kontinuierlichen Steuerung des Druckwellenprozesses, der auf einfache V.'eise über Keilriemen erfolgen kann. Das Fur.ki'ionsprinzip der Druckwellenmaschine ist an sich bekannt und kann der Druckschrift Nr. CH-T 123 Ο63 der BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. entnommen werden.

Die Viirkungs weise eier Erfindung ist folgende:

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Erfindungsgemäss ist im oberen Drehzahlbereich des Motors die erzwungene Luftschwingung mit der Anregung nicht mehr in Phase, sondern phasenverschoben. Die Eigenschwingungsfrequenz der Resonatoren stimmt mit der Erregerfrequenz (Ansaugperioden der Kolben) einer Drehzahl des Motors im unteren Drehzahlbereich überein und bewirkt dort, obwohl nicht angestrebt, aber auch nicht störend, eine gewisse Erhöhung der Zylinderfüllung; das Resonanzsystem wird so ausgelegt, dass die Druckamplituden im Resonanzfall so klein wie möglich sind.

Erfindungsgemäss wird die Phasenverschiebung der Luftschwingung im oberen Drehzahlbereich ausgenützt, um den Luftdurchsatz durch den Motor, sowie den Treibstoffverbrauch und den Spitzendruck im Zylinder zu reduzieren.

Durch Druckmessungen im Resonanzvolumen 8, 8' und in den Zylindern des Motors konnte gezeigt werden, dass sich die Verstimmung der Luftschwingung so äussert, dass in der eigentlichen Saugphase des Kolbens ein Ueberdruck im Resonanzvolumen gegenüber dem Ausgleichvolumen 11 von ca.

0,2 bar auftritt. Im Bereich des unteren Totpunktes resultiert ein Unterdruck gegenüber dem Ausgleiohsvolumen 11 von ca. 0,2 bar. Dadurch wird die aus dem Resonanzvolumen in den Zylinder einströmende Verbrennungsluftmenge reduziert. Die Gaswechselarbeit wird nicht erhöht, sondern ebenfalls reduziert, da erfindungsgemäss in der Ansaugphase im Bereiche der grössten Kolbengeschwindigkeit Ueberdruck im Resonanzvolumen auftritt. In der Zeit, wo Unterdruck in diesem herrscht, geht der Kolben durch den unteren Totpunkt, d.h. die Kolbengeschwindigkeit geht durch den Nullpunkt.

Bedingt durch den ansaugseitigen Ueberdruck im Resonanz-

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volumen während der eigentlichen Saugphase und die Phasenverschiebung der Druckamplituden im Resonator im oberen Drehzahlbereich wird die Spülluftmenge während der Ventilüberschneidungsperiode vergrössert. Die daraus resultierende geringere Gasnenge im Zylinder bewirkt eine Senkung des maximalen Zylinderdruckes, die zur mechanischen und thermischen Entlastung des Motors beiträgt.

Es konnte nachgewiesen werden, dass nach dem Einbau des erfindungsgemässen Mehrfachsystems die Spitzendrücke im oberen Motordrehzahlbereich bei gleicher Leistungseinstellung wie am Motor mit einfachem Ladeluft sammler um bis zu 10 bar reduziert werden konnten. Ebenso trat eine Verbesserung des spezifischen Treibstoffverbrauches bis ca. 5 % auf.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 649 389 ist es bekannt, die der Druckwellenmaschine entströmende Ladeluft in der Ladeluftleitung zu kühlen. Im Zusammenhang mit der Erfindung gilt die in Fig. 1 dargestellte Kühlart, bei welcher ein Ladeluftkühler 12'" im Ausgleichsbehälter 11 untergebracht ist, als besonders vorteilhaft. Kühlmittelssitig wird der Kühler 12'" von Spülluft beaufschlagt, welche vor Eintritt in die Druckwellenmaschine 10 von der angesaugten Frischluft bei 18 abgezweigt wird. Aufgabe und Funktionsweise dieser Spülluft in der Druckwellenmaschine sind in der zitierten deutschen Offenlsgangsschrift beschrieben. Selbstverständlich könnte ein derartiger Ladeluftkühler ebensogut in den Resonanzvolumen 9, 9' oder um die Resonanzrohre 8, 8' angeordnet sein·oder aber kunlmittelseitig an den Kühlwasserkreislauf des Motors angeschlossen werden.

Derartige Lösungen sind in den Fig. 2 unc¹ 7> dargestellt, welehe Ausschnitte aus der Fig. 1 darstellen und wobei die gleichen Elemente mit denselben Bezugszahlen versehen sind.

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Fig. 2 zei^t eine Anordnung, bei we'chor der Ladeluftkühler 12' aus zv;ei Wärmetauscher-Elenenten besteht, die in den Resonar.zvolumen 9, 9¹ untergebracht sind und parallel mit Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf des Motors versorgt sind.

Gemäss Fig. 3 besteht der Ladeluftkühler 12" aus Kühlschlangen, v/eiche um die Resonanzrohre 8, 8' geschlungen sind und wie in Fig. 2 aus dem Kühlkreislauf des Motors beaufschlagt v/erden.

Die Ladeluftleitung von mit einer Druckwellenmaschine, aufgeladenen Motoren beinhaltet in der Regel alc Startvorrichtung eine Luft/.lappe, die beim Anspringen des Motors geschlossen gehalten wird und erst beim Ueterschreiten der Leerlaufdrehzahl nach dem Anlassvorgang während der ganzen ^aufzeit des Motors, air ι auch bei erneutem Leerlaufbetrieb bis zum Abstellen des Motors geöffnet bleibt . Bei geschlossener Klappe

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saugt der'üb er eine mit der Atmosphäre verbundenen Bypassvorricntung zur Klappe Luft an. Als besonders gümtige Lösui.g kann gemäss Fig. 1 die lediglich schematisch und ohne Stellgerät dargestellte Startvorrichtung 22 am Eingang des Ausgleichsbehälters 11 angeordnet sein.

In Fig. 4 ist die Ladeeinrichtung bei einem Motor gezeigt, bei welchem Ein- und Auslassventile auf der gleichen Motorseite angeordnet sind. Die Druckwellenmaschine ist über einen Keilriemenantrieb 17 mit der Kurbelwelle des Motors drehverbunden und ist mit ihren wesentlichen Teilen C-asgehäuse 10', Luftgehäuse 10" und Zellenrad 10'" dargestellt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmedien ist mit Pfeilen bezeichnet; die Bezugszeichen der einzelnen Elemente entsprechen jenen in Fig. 1.

Eine weitere Fortbildung der Einrichtung nach Fig. 4 ist in

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Fig. 5 gezeigt, in welcher ein Luftfilter 13 und ein Ladeluftkühler 12"' im Ausgleichbehälter 11 zusammen mit den anderen Teilen der Ladeeinrichtung eine kompakte bauliche Einheit bilden, welche auf nur einer Motorseite untergebracht ist.

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Bezeichnungsliste

I» 5 6

1' 2' 3' It' 5' 6'

1" 2" 3"

5" 6"

8, 9, 10 10' 10" 10'" 11

12 12' 12" 12"' Zylinder

Einlasskanäle (Saugkanäle)

Auslasskanäle

Mehrfachsystem (Resonanzsystem) Resonanzrohr

Resonanzvolumen

Druckwellenmaschine Gasgehäuse

Luftgehäuse

Zellenrad

Ausgleichsbehälter

Ladeluftkühler

13 Luftfilter

IM Ladeluftleitung

15 Sammelrohr

17 Keilriemenantrieb

18 Abzweigung Spülluft von Frischluft

19 Kolbenbrennkraftmaschine

20 Frischluftansaugstelle

21 Richtung Auspuff

22 Startvorrichtung

Claims (12)

" ""* " 13.2.80 Ke/I § Schutzansprüche

1. Aufgeladene mehrzylindrige Kolbenbrennkraftmaschine mit in weiten Grenzen veränderlichen Betriebsdrehzahlen, beispielsweise für den Antrieb von Fahrzeugen, wobei He Aufladung mittels eines Druckwellentauschers erfolgt, indem die Frischgase unmittelbar von den aus den Zylindern ausströmenden Auspuffgasen in dem Zellenrad der Druckwellenmaschine komprimiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass, wie an sich bekannt, ein Resonanzsystem (7) für die von den Ansaugtakten der Kolbenbrennkraftmaschine (19) in Pulsation versetzte Frischgassäule im E'.nlass-System zwischen Druckwellenmaschine (10) und den Ei??.ass-Ventilen eingebaut ist, wobei wie an sich bekannt, die Eigenfrequenz des Resonanzsystems (7) auf die niederen Drehzahlen der Kolbenbrennkraftmaschine (19) verlegt ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonanzsystem (7) wie an sich bekannt als Mehrfachsystem mit mindestens einem Resonanzrohr (8,8') und mindestens einem Resonanzvolumen (9, 9') ausgebildet ist, und dass das stromabwärts nach dem Resonanzrohr

(8, 8') angeordnete Resonanzvolumen (9_a 9') grosser als das Gesamthubvolumen, jedoch kleiner als das zweifache Gesamthubvolumen der mit dem Resonanzvolumen (9j9') verbundenen Zylinder (6, 5j 4 resp. 3> 2, 1; ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Resonanzrohres grosser als das 0,012-fache, jedoch kleiner als das 0,017-fache

des Ausdruckes "γ V„ . η ist, worin V das Gesamthubvolumen der an einem Resonanzvolumen angeschlossenen Zylinder und n_N die Motornenndrehzahl ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrfachsystem derart dimensioniert ist, dass der Drehzahlbereich, in welchem die Lufteigenschwingungsfrequenz mit der Anregung durch die Ansaugfrequenz der Zylinder in Resonanz steht, zv;icchen 0,4 und 0,6 der Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine liegt.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von mehreren Resonanzvolumen (9, 9') zwischen der Druckwellenmaschine (10) und dem Mehrfachsystem (7) ein Ausgleichvolumen (11) angeordnet ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2,, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladeluftkühler (12) innerhalb oder unmittelbar vor dem Mehrfachsystem angeordnet ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (12') im Resonanzvolumen untergebracht ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (12") in Form einer Kühlschlange um das- Resonanr',rchr geschlungen ist.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (12"') im Ausgleichsvolumen untergebracht ist.

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10. Brennkraftmaschine nach Anspr ich 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (12') kühlmittelseitig mit dem Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden ist.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, 'adurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (12'") kür. .üittelseitig mit dem Spüllufteingang der Druckwellenmaschine verbunden ist.

12. Biennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die für den Kaltstart der Brennkraftmaschine erfroderliche, an sich bekannte Startvorrichtung der Druckwellenmaschine im Ausgleichsbehälter untergebracht ist.

13· Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Brennkraftmaschinen mit Ein- und Auslasssystem auf gleicher Maschinenseite die Druckwellenmaschine und das Mehrfachsystem auf einer s;le: chen "aschinenseite angeordnet sind.

lh. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der unerlässliche Luftfilter (20),
die Druckwellenmaschine (10), das Mehrfachsystem (7' und der Ladeluftkühler (12) als bauliche Einheit aus gebildet und auf nur einer Seite der Brennkraftmaschine untergebracht sind.