DE1935155B - Brennkraftmaschine mit Ausnutzung der Schwingungen der Fnschgase in der Einlaßleitung - Google Patents

Description

Schwingungen bei der im Saugrohrsystem befind- umgebenden Atmosphäre saugt, die Eigenschwinlichen und eine ausreichend große Trägheit auf- gungszahl des strömenden Mediums zu
weisende Luft- oder Kraftstoff-Luft-Gemischmenge,

in deren Ergebnis vor dem Einlaßventil oder dem _ a

Einlaßschlitz des eben ansaugenden Zylinders im S ^ ~ 4L

Einlaßkanal in der zweiten Hälfte der Ansaugperiode

ein großer Überdruck aufgebaut wird. Infolge des wobei α (m/sec) die im Medium herrschende Schall-Überdruckes wird in den gegebenen Zylinder die geschwindigkeit, L (m) die Länge der Saugleitung frische Luft oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch in er- vom Zylinder bis zur umgebenden Atmosphäre behöhtem Maße eingepreßt, wodurch auch die Menge io deutet.

erheblich ansteigt. Dies hat zur Folge, daß der Auf- Versuche bestätigten, daß der Luftverbrauch (die

füUungsgrad (die Wirksamkeit der Aufladung) ohne Luftaufnahme) eines dynamisch aufgeladenen Motors eine wesentlichere Beanspruchung des Turboladers in dem Fall am höchsten liegt, wenn die Drehzahl des unter Einwirkung der schwingungsbedingten äugen- Motors und die Eigenschwingungszahl (Eigenfreblicklichen Überdrücke im Vergleich zu den bisher 15 quenz) des in der Saugleitung strömenden Mediums bekannten Motoren mit Turboaufladung um 10 bis in einem bestimmten gegenseitigen Verhältnis stehen. 30^0/» ansteigt. Bei davon abweichenden Drehzahlen vermindert sich

Die im Saugrohrsystem auftretenden Schwingungen die Luftaufnahme. Dies ist die Ursache dafür, daß bei erreichen im unteren Motordrehzahlbereich ihre den in der Praxis bekannten dynamischen Aufgrößte Wirkung, und in diesem Bereich ist der An- 40 ladungsverfahren stets eine gewisse Motordrehzahl stieg der Wirksamkeit der Motorauffüllung der be- vorzufinden ist, bei der auch bei beliebiger Motordeutendste. belastung die je Zylinder angesaugte frische Auffül-

In diesem Fall verbessert sich die Wirksamkeit der lungsmenge die größte ist.

Aufladung eben in dem Drehzahlbereich sprunghaft, Auch bei den bisher bekannten Turboaufladungs-

in dem früher der Turbolader noch weitgehend wir- 25 verfahren konnte die Motordrehzahl genau bestimmt kungslos war. Infolge der Erhöhung der Zylinder- werden, bei der der aufgeladene Motor die frische auffüllung steigt auch das Höchstdrehmoment des Luftmenge verbrauchte. Diese fiel — aus den beMotors, und die zugehörige Drehzahl vermindert sich. kannten Eigenschaften des Turboladers folgend — Auch ist eine Verminderung des spezifischen Kraft- streng mit der Drehzahl der Motornennleistung zustoffverbrauchs, der Temperatur der Abgase und der 30 sammen.

Rauchbildung bei dem Motor feststellbar. Eine der- Ganz anders verhält sich die Lage bei dem vorartige Verbesserung der Parameter des Motors tritt, liegenden Aufladungsverfahren. Bei einer Teillast des wie dies auch durch zahlreiche praktische Messungen Motors, wenn verhältnismäßig wenig Kraftstoff vernachgewiesen wurde, in der gesamten unteren Hälfte brannt wird, bleibt die Temperatur der Abgase nieddes Betriebsdrehzahlbereichs des Motors ein. Unter 35 rig und auch ihr Volumenverhältnis gering. Dies hat Berücksichtigung des Umstandes, daß die erreichbare zur Folge, daß verhältnismäßig wenig Energie im Erhöhung der Wirksamkeit der Auffüllung vom Be- Turbolader verwertet wird und so dessen Turbinentrieb des Turboladers fast unabhängig ist. tritt sie bei "rad auch langsam umläuft. Natürlich wird auch wenig plötzlicher Beschleunigung und Drehzahländerung Luft zum Motor gefördert. Die direkte Folge dessen (Straßenverkehr) ebenso ein wie bei einem statio- 40 ist, daß Druck und Temperatur des im Saugrohrnären Betrieb eines Motors mit Turboaufladung. system des Motors strömenden Mediums verhältnis-

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Luft- mäßig niedrig bleiben. Es ist jedoch allgemein beaufnahme eines nach diesem Verfahren arbeitenden kannt, daß sich die in einem zusammendrückbaren Motors nicht nur bei einer gegebenen Drehzahl, son- Medium herrschende Schallgeschwindigkeit propordern in einem sehr breiten Drehzahlbereich den durch 45 tional zur Quadratwurzel der absoluten Temperatur das gegebene System zugelassenen Höchstwert er- des Mediums verhält. In dieser Weise bleibt in sämtreicht. Die in der üblichen und bekannten Weise liehen Fällen, wenn der Turbolader verhältnismäßig erzeugte dynamische Aufladung (Aufladewirkung) wenig Luft fördert, die Schallgeschwindigkeit niedrig erhöht infolge der im Saugrohr auftretenden Schwin- und wenn die Menge des durch den Turbolader begungen den Luftverbrauch des Motors stets bei einer 50 förderten Mediums wächst, erhöht sich auch die gegebenen Motordrehzahl in größtem Maße. Diese Temperatur und damit zusammen auch die Schall-Drehzahl ist neben der Ausbildung und den relativen geschwindigkeit.

Abmessungen des Saugrohrsystems auch noch von Aus dem Besagten ergibt sich atuh die anderswo

der in dem im Saugrohr strömenden Medium herr- noch nie festgestellte vorteilhafte Eigenschaft. Bei sehenden Schallgeschwindigkeit abhängig. Es ist be- 55 niedriger Drehzahl oder bei mit Teillast laufendem kannt, daß sich in einem zusammendrückbaren Motor, wenn Her Turbolader selbst ebenfalls mit Medium jede Störung oder Änderung mit der darin einer verhältnismäßig niedrigen Drehzahl läuft, ergibt herrschenden Schallgeschwindigkeit fortpflanzt. Aus sich infolge der niedrigeren Schallgeschwindigkeit bei diesem Grunde verändern sich die in einem gegebenen einer verhältnismäßig niedrigen Motordrehzahl die Saugrohrsystem ablaufenden Schwingungsvcrhältnisse ^6o größte Wirkung der durch die Schwingungen hervoreines zusammendrückbaren Mediums sowie die gerufenen dynamischen Aufladung. Sobald dann nach Eigenschwingungszahl des Systems proportional zur dem Gasgeben durch den Fahrer auch der Turbolader Schallgeschwindigkeit. und der Motor schneller zu laufen beginnen, erhöhen

So ergibt sich z. B. in einer Saugleitung, die aus sich damit zusammen auch die Schallgeschwindigkeit dem zum Zylinder des Motors gehörenden Einlaß- 65 sowie die Drehzahl, bei der die dynamische Aufkanal bzw. dem an diesen angeschlossenen Saugrohr ladung ihre größte Wirkung abgibt,
ausgebildet ist und bei der das zum gegebenen Ein- Mit anderen Worten, der Höchstwert der durch die

laßkanal gehörende Saugrohr unmittelbar aus der dynamische Aufladung gesicherten Auffüllungswir-

kung folgt dem Lauf des Motors in einem außer- den Zylindern IV, V und VI gehörenden Saugrohre ordentlich breiten Motordrehzahlbereich. Dies hat ebenso an einen gemeinsamen Resonatorbehälter 10 zur Folge, daß eine wirksame Aufladung in einem angeschlossen. An den Resonatorbehälter 9 ist das wesentlich größeren Motordrehzahlbereich verwirk- Resonanzrohr 11 angeschlossen, das in das gemeinlicht werden kann, als dies bei einem der bisher be- s same Sammelrohr 13 mündet. Das Sammelrohr 13 ist kannten Aufladungsverfahren überhaupt zu erhoffen durch das Verbindungsrohr 14 mit dem Turbolader war. Eine Folge davon ist, daß die bereits früher 15 des Motors bzw. mit dem Kompressor 16 des erwähnte Verbesserung der Motorparameter in einem Turboladers 15 verbunden. An einer mit dem Komüberraschend großen Drehzahlbereich eintritt, wie pressor 16 des Turboladers 15 gemeinsamen Welle ist dies auch auf Grund zahlreicher praktischer Messun- io die Turbine 17 angeordnet, an die sich das Auspuff gen festgestellt werden konnte. rohr 5 anschließt.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnungen er- Die Abgase des Motors erreichen durch das Ausläutert werden. Dabei zeigt puffrohr 5 durchströmend die Turbine 17 und brin-F i g. 1 einen 6-Zylinder-Dieselmotor mit Turbo- gen diese in Umlauf. Die durch die Turbine strömenaufiadung und dessen einen Resonatorbehälter und 15 den Abgase gelangen durch die öffnung 17 a in die ein Resonatorrohr enthaltendes Saugrohrsystem im freie Atmosphäre oder in die in der Zeichnung nicht Schnitt und dargestellte Auspuffrohrleitung.

F i g. 2 dasselbe in Ansicht. Der Kompressor 16 des Turboladers saugt durch In dem Zylinder 1 des in den Fig. 1 und 2 dar- die öffnung 16a unmittelbar oder durch das auf der gestellten und mit einem Saugrohrsystem arbeitenden ao Abbildung nicht dargestellte Luftfilter aus der Atmo-6-Zylinder-Dieselmotors läuft der Kolben 2. Im Zy- sphäre die Luft an und drückt sie in das Verbindungslinderkopf 3 ist der Auslaßkanal angeordnet, an den rohr 14. Die Luft strömt aus dem Verbindungsrohr sich das Auspuffrohr 5 anschließt. 14 in das Sammelrohr 13, wo sie sich in zwei Teile Ebenfalls im Zylinderkopf 3 sind auch das Einlaß- teilt und durch die Resonanzrohre 11 sowie 12, die ventil 6 und der damit in Verbindung stehende Ein- 25 Resonatorbehälter 9 sowie 10 und dann durch die laßkanal (Saugkanal) 7 angeordnet, an den sich das Saugrohre zu den Zylindern strömt. Unter Einwir-Saugrohr 8 anschließt. Der im Ausführungsbeispiel kung des periodischen Ansaugens der Zylinder vervorgeführte Motor besitzt demgemäß ein Einlaß- und laufen sowohl im Resonatorbehälter 9 als auch im ein Auslaßventil je Zylinder. Versieht man die sechs Resonatorbehälter 10 periodische Druckänderungen. Zylinder des Motors mit einer laufenden Numerie- 30 die die zum Teil im Resonanzrohr 11, zum Teil im rung beginnend vom Schwungrad 18, so ergibt sich Resonanzrohr 12 strömende Luftsäule zu Schwindie Zünd- und demgemäß auch die Ansaugfolge der gungen erregt. Sobald die Eigenschwingungszahl des Zylinder des Motors zu I-V-III-VI-II-IV. Aus der Systems und die Frequenz der erregenden Drucküblichen Arbeitsweise des Motors fließend, folgen die änderungen in ein entsprechendes Verhältnis gelan-Zylinder I, III und II sowie die Zylinder V, VI und 35 gen, kommt die im Saugrohrsystem befindliche Luft IV einander in der Arbeitsweise mit einem Kurbel- in einen intensiven Schwingungszustand und dieser wellenverdrehungswinkel von 240°. Dieser Winkel- gewährleistet die dem erfindungsgemäßen Verfahren wert stimmt praktisch mit dem öffnungswinkel der zu entsprechende dynamische Aufladungswirkung,
den einzelnen Zylindern gehörenden Einlaßventile Mit Hilfe der Einrichtung erhöht sich — in Abüberein. Deshalb sind die Ansaugperioden der einzel- 40 hängigkeit von den Abmessungen des Motors — in nen Zylinder (Glieder) sowohl bei der aus den Zylin- einem von 200 bis 500 U/min reichenden oder noch dem I, II und III alb auch bei der aus den Zylindern breiteren Drehzahlbereich die Wirksamkeit der Axif-TV, V und VI bestehenden Zylindergruppe aufein- ladung des Zylinders (Füllungsgrad) ziemlich beanderfolgend angeordnet, d. h., ihre Ansaugperioden deutend — um etwa 20 bis 30 ⁰Zo. In dieser Weise überdecken einander entweder überhaupt nicht oder 45 eignet sich die Einrichtung vorzüglich zur Erhöhung nur in einem geringen Maße. Die Saugrohre der des Höchstdrehmoments von Motoren mit Turbo-Zylinder I, II und III sind demgemäß zu den sich aufladung, weiterhin zur Verbesserung der bei niednach Ansaugperioden gegenseitig in bedeutendem rigen Motordrehzahlen auftretenden Verhältnisse. Als Maße nicht überdeckenden Zylindern gehörende besondere Vorteile der Einrichtung können die gün-Saugrohre und münden so in einen gemeinsamen 50 stig herstellbare Konstruktion und der verhältnis-Resonatorbehälter 9. In ähnlicher Weise sind die zu mäßig geringe Platzbedarf erwähnt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

gegenseitige Abstimmung des Motors und des Turbo-Patentansprüche: laders ist in einzelnen Fällen, z. B. bei stationärem oder Schiffsbetrieb, bei denen der Motor für lange

1. Brennkraftmaschine mit Ausnutzung der Zeit mit konstanter Belastung und Drehzahl läuft, Schwingungen der Frischgase in der Einlaßlei- 5 eine verhältnismäßig einfache und gut erfüllbare Auftung mittels eines auf Resonanz abgestimmten gäbe.

Mehrfachsystems, dadurch gekennzeich- Ein wesentlich ungünstigeres Anwendungsbeispiel

net, daß bei Anwendung der Abgasturboauf- bedeutet bei Motoren mit Turboaufladung der ladung die Motordrehzahl, bei der Resonanz in Straßenfahrzeugbetrieb. In letzterem Fall verändern der Einlaßleitung auftritt, im unteren Drehzahl- io sich nämlich Belastung und Drehzahl des Motors bereich der Brennkraftmaschine liegt. zwischen ziemlich weiten Grenzen, wobei noch die

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, da- durch den Betrieb der Straßenfahrzeuge hervordurch gekennzeichnet, daß das Mehrfachsystem gerufenen, häufig sehr schnellen Änderungen der Beaus Resonanzrohr und Resonanzbehälter besteht. lastung und Drehzahl hinzukommen.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, da- 15 Schwierigkeiten bereitete aber bisher die Abstimdurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Mehr- mung der Turbolader auf die Brennkraftmaschine, fachsystem und dem Turbolader ein Ausgleichs- Dies liegt daran, daß der Turbolader bei Erhöhung behälter geschaltet ist. der Motordrehzahl eine immer größere Aufladung

liefert und sich nicht an die durch den Motor erao reichbare und durch das Fahrzeug bedingte Forderung nach einem elastischen Drehmoment anpaßt. So

kann z. B. ein Turbolader, der den Motor im Bereich

seiner Nenndrehzahl, d. h. seiner Höchstbetriebsdreh-

zahl, günstig auffüllt, bei den dem Höchstdreh-

25 moment des Motors entsprechenden oder diese unter-

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit schreitenden Drehzahlen, wie dies aus der Praxis Ausnutzung der Schwingungen der Frischgase in der bekannt ist, nunmehr eine unausreichende Wirkung Einlaßleitung mittels eines auf Resonanz abgestimm- ausüben, so daß sich daraus ein unelastischer, ein ten Mehrfachsystems. geringes Drehmoment und eine ungünstige Dynamik

Es ist bekannt, durch eine besondere Ausbildung 30 aufweisender Motor ergibt. Wird hingegen der Turbodes Einlaß-(Saugrohr-)Systems, durch die bewußte lader so ausgelegt, daß er eben bei den letzteren, Beeinflussung der in diesem System auftretenden niedrigeren Motordrehzahlen die entsprechende Auf-Strömungserscheinungen, daß die durch die Motoren ladung bietet, so treten bei den Höchstbetriebsdrehangesaugte Luft bzw. Kraftstoff-Luft-Gemischmenge zahlen des Motors übertriebene Beanspruchungen bedeutend erhöht werden kann, wobei bei diesem 35 auf, die sowohl für den Motor als auch den Turbo-Verfahren die kinetische Energie der im System pul- lader schädlich sind und diese eventuell auch zersierend strömenden Luft bzw. der Kraftstoff-Luft- stören können.

Gemische zur Erhöhung der Aufladung ausgenutzt Man hat daher versucht, zwei oder mehr Turbo

wird (MTZ, 28 [1967], 4, S. 144 bis 151). lader hintereinanderzuschalten, wobei diese dann je-

Das Anpassen der Schwingungen im System an 40 weils für verschiedene Drehzahlbereiche ausgelegt die Erregung wird dabei als »Abstimmen« bezeichnet. waren, jedoch bis jetzt konnte keine tatsächlich gün-

Im stärkeren Maße als vorstehend beschrieben, stige und die Forderungen der Praxis erfüllende Lökann die durch den Motor angesaugte Luft- oder sung gefunden werden.

Kraftstoff-Luft-Gemischmenge erhöht werden, wenn Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, in

der Motor die Luft nicht unmittelbar aus der um- 45 dem Bereich, in dem die Turboaufladung nicht ausgehenden Atmosphäre ansaugt, sondern wenn die reichend ist, die Zylinderfüllung zu verbessern. Auffüllung seiner Zylinder durch eine besondere Vor- Gelöst wird diese Aufgabe bei einem auf Resonanz

richtung, den sogenannten Auflader, erfolgt. abgestimmten Mehrfachsystem erfindungsgemäß da-

Bei den Brennkraftmaschinen mit Turboaufladung durch, daß bei Anwendung der Abgasturboaufladung saugt der Kompressor des Turboladers die Luft aus 50 die Motordrehzahl, bei der Resonanz in der Einlaßder umgehenden Atmosphäre, eventuell durch einen leitung auftritt, im unteren Drehzahlbereich der Luftfilter, an und befördert sie dann unter einem Brennkraftmaschine liegt.

hohen Druck eventuell bereits mit dem Kraftstoff zu- Das Mehrfachsystem kann dabei aus Resonanzrohr

sammen durch das Einlaß-(Saugrohr-)System des Mo- und Resonanzbehälter bestehen, tors und das Einlaßventil oder den Einlaßschlitz in 55 Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung den Zylinder des Motors. ist zwischen das Mehrfach system und den Turbo-

Die Menge der im Verlaufe der Ansaugperiode lader ein Ausgleichsbehälter geschaltet,
den Zylindern des Motors zugeführten Luft oder des Bei der bei einer entsprechend der Erfindung aus-

KraftslofF-Luft-Gemisches ist neben den Abmcssun- gebildeten Brennkraftmaschine erfolgenden Aufgen und Kennwerten des Motors in erster Linie von 60 ladung ist in dem die Zylinder des Motors mit dem den Abmessungen und der Ausbildung des Turbo- Turbolader verbindenden Saugrohrsystem eine beladers und der Energie der die Turbine des Turbo- deutende Luft- oder Kraftstoff-Luft-Gemischmenge laders antreibenden Abgase abhängig. Aus diesem aufgespeichert. Jeder Kolben des Motors beschleu-Grunde ist ein Verbrennungsmotor mit Turboauf- nigt zu Beginn der Ansaugperiode die im Saugrohrladung mit dem Turbolader sorgfältig abzustimmen, 65 system befindliche Luft bzw. das dort befindliche damit die dem Motor zugeführle und mengenmäßig Kraftstoff-Luft-Gemisch und bewirkt so eine bedeuerhöhte Luft- oder Kraftstoff T uft-Gemischzufuhr tende Erhöhung der kinetischen Energie. Diese den Betriebsverhältnissen des Motors entspricht. Die periodische Erhöhung der kinetischen Energie erzeugt