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Die Erfindung betrifft eine Aufladevorrichtung für eine mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschine, mit einem einlassseitigen Verdichter und einer auslassseitigen Turbine und mit einem einlassseitigen, schwingfähige Einlassorgane umfassenden Schwingsystem und einem auslassseitigem, schwingfähige Auslassorgane umfassenden Schwingsystem, sowie mit einer ein Absperrorgan enthaltenden Verbindung der Einlass- und Auslassorgane.
Turboaufladung ist zur Zeit das wohl bekannteste Mittel zur Steigerung der spezifischen Leistung einer Verbrennungskraftmaschine. Wegen der unterschiedlichen Schluckcharakteristik von Turbolader und Vier-TaktVerbrennungsmotor ergeben sich jedoch recht komplexe Anpassungsprobleme, besonders wenn der Verbrennungsmotor für einen möglichst grossen Bereich hoher Mitteldrücke ausgelegt werden soll, wie dies für moderne Fahrzeugmotoren erforderlich ist. Daher ist jede Turboladeranpassung an einen Vier-Takt-Fahrzeugmotor letztlich ein Kompromiss zwischen optimalen Betriebswerten in einem gewählten Betriebspunkt und einem möglichst breiten nutzbaren Betriebsbereich.
Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen und den nutzbaren Betriebsbereich turboaufgeladener Motoren möglichst zu erweitem, sind eine Reihe von Massnahmen bekanntgeworden.
So ist beispielsweise für Kleinmotoren allgemein üblich, zur Regelung des maximalen Aufladedruckes nach
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Bei der sogenannten Resonanzaufladung werden auf Resonanz abgestimmte Frischgasschwingungssysteme eingesetzt, welche Resonanzrohre und gegebenenfalls Resonanzbehälter umfassen. Diese bilden dabei ein Schwingungssystem mit gut definierbarer Eigenschwingungszahl. Das Prinzip der Resonanzaufladung kann für sich allein oder eben in Verbindung mit einer Turboaufladung als sogenannte kombinierte Aufladung angewendet werden.
Wird die schwingungsfähige Anordnung zwischen Turbolader oder Luftzufuhnohr und Zylinder geschaltet und durch die Kolbenbewegung im Betrieb der Maschine während der aufeinanderfolgenden Ansaugperioden mit einer dieser Eigenschwingungszahl nahekommenden Frequenz erregt, so tritt Resonanz auf und es entstehen verstärkte Druckschwingungen, durch welche der Lieferdraht der Zylinder unter Einwirkung der schwingungsbedingten augenblicklichen Überdrücke bei Einlassventilschluss im Vergleich mit Brennkraftmaschinen ohne eine solche Resonanzaufladung in einem gewünschten Drehzahlbereich erheblich verbessert werden kann. Nähere Ausführungen darüber sind z. B. in der"MTZ Motortechnische Zeitschrift"Nr. 32 (1971 Seiten 368 bis 373), sowie Nr. 39 (1978 Seiten 447 bis 451) veröffentlicht worden.
Aus der DE-OS 29 14 691 ist eine Aufladevorrichtung für eine mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschine mit einem einlassseitigen Verdichter und einer auslassseitigen Turbine und mit einem einlassseitigen, schwingfähige Einlassorgane umfassenden Schwingsystem und einem auslassseitigen, schwingfähige Auslassorgane umfassenden Schwingsystem bekanntgeworden, bei welcher eine mit einem Absperrorgan versehene Verbindung der Einlass-und Auslassorgane vorgesehen ist Bei dieser bekannten Aufladevorrichtung sind somit zwei gesonderte, voneinander unabhängige Schwingsysteme vorgesehen.
Mittels dieser bekannten Vorrichtung soll durch Ausnützung der vom Ladungswechsel des Motors erzeugten einlassseitigen Druckschwankungen in der Ladeluft und der auslassseitigen Druckschwankungen im Abgassystem eine so grosse Druckdifferenz in der Verbindung der Einlass-und Auslassorgane erzeugt werden, dass im Teillastbereich eine grosse Luftmenge durch den von der Verbindung gebildeten Bypass strömen kann, um eine bessere Beschleunigung des Turboladers zu erzielen. Das in der Verbindung vorgesehene Absperrorgan dient hiebei ausschliesslich dazu, ein Rückströmen vom Auslass in den Einlass zu verhindern.
Bei dieser bekannten Anordnung werden somit die durch Pulsation erregten periodischen Druckdifferenzen dazu verwendet, die Förderung von Ladeluft durch den von der Verbindung gebildeten Bypass zu verstärken und zu bewirken, dass bei Teillast eine grosse Luftmenge über die Verbindung überströmen kann, und zwar auch dann, wenn der mittlere Druck vor der Verbindungsleitung kleiner ist als der mittlere Druck nach derselben.
Dadurch soll ausser einer Erhöhung des Ladeluftdruckes eine Verbesserung des Beschleunigungsverhaltens eines so ausgerüsteten Motors vorzugsweise in dem Teilbereich erzielt werden, in welchen der grösste Luftmangel zu erwarten ist
Ein aufladetechnisch ähnliches Verhalten, das in der Zeitschrift"Entropie"Nr. 48 (1972) Seiten 5 bis 12 beschrieben ist, sieht zusätzlich vor, in der erwähnten Verbindungsleitung eine Brennkammer anzuordnen.
Die bekannten ladeluftseitigen Resonanzsysteme, bei welchen die zyklisch auftretenden Ansaugtakte im Resonanzfall eine stehende Welle im Einlasssystem erregen, weisen allerdings Nachteile auf, die ihrer breiten Anwendung entgegen stehen. Die Anregungsenergie absorbiert Ladungswechselarbeit, wodurch sich der Brennstoffverbrauch erhöht Bei vielen Anwendungsfällen (Zylinderzahl) sind die erzeugbaren Druckamplituden zu gering, als dass eine wirkungsvolle Nachladung gewährleistet werden könnte. Die Wirkfrequenzbandbreite ist relativ gering. Auslassseitig angeordnete Resonanzsysteme dagegen bringen keine Verbesserung, sie wirken sich sogar eher negativ aus. Hinzu kommt allgemein, dass die Auslegung eines Resonazsystems immer einen Kompromiss zwischen optimaler Wirkung, zulässiger Bauteilgrösse und akzeptablen Strömungsverlusten im Einlasssystem darstellten.
Dabei wird die Dimensionierungsfrage umso kritischer, je tiefer das Resonanzfrequenzspektrum angesetzt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aufladevorrichtung für mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschinen zu schaffen, bei welcher im Vergleich zu den bekannten Aufladevorrichtungen die Druckampliduden auf der Einlassseite und damit den Nachladeeffekt erhöht, die Absorption von
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Ladungswechselarbeit für die Anregung vermindert und der Turbolader vom Motor entkoppelt werden, um ihn in einem günstigeren Betriebsbereich betreiben zu können.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung, ausgehend von einer Aufladevorrichtung der eingangs beschriebenen Art, vor, dass das einlassseitige Schwingsystem, das auslassseitige Schwingsystem und die genannte Verbindung zusammen zu einem aufladewirksamen resonazfähigen Schwingsystem abgestimmt sind, das bei geöffnetem Absperrorgan anregbar ist
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Aufladevorrichtung werden wesentliche Vorteile erzielt. Zunächst wird generell das vorerwähnte Dimensionierungsproblem entschärft. Die Energie zur Anregung einer stehenden Welle wird dort bezogen, wo sie reichlich und bei geeigneter Zusammenfassung in brauchbarer zyklischer Folge vorhanden ist.
Durch die Nutzung der sonst ungenutzten Druckpulsationen im Auslass zur Anregung des Schwingsystems einlassseitig, werden erhöhte Druckampliduden erreicht, welche hauptsächlich zur Verbesserung des Motorvollastbereiches im unteren Drehzahlbereich dienen. Durch den gleichen Effekt ergibt sich eine Absenkung des Druckes im Bereich zwischen den Pulsationen was wiederum die Ladungswechselarbeit des Motors und damit den Brennstoffverbrauch vermindert. Gleichzeitig werden die Schluckcharakteristiken von Motor und Turbolader, mit den sich hieraus ergebenden Vorteilen, entkoppelt.
Im einfachsten Fall ist, wie an sich bekannt, das Absperrorgan ein Rückschlagventil, das die Verbindung öffnet, wenn der Druck einlassseitig höher ist als auslassseitig, so dass es einen Durchfluss nur von der Einlassseite zur Auslassseite zulässt. Der Turbolader ist in diesem Fall völlig freilaufend und wird sich im stationären Betriebszustand immer auf einen optimalen Wirkungsgrad einstellen.
Ist jedoch aus Gründen der Abgasqualität bei sehr tiefer Last und/oder zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens des Motors eine Abgasrezirkulation erwünscht, so kann gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung das Absperrorgan als verstellbare Klappe ausgebildet sein, dessen Stellung in Abhängigkeit der Belastung, Leistung und Drehzahl der Brennkraftmaschine regelbar ist. Bei einer solchen Ausführung ist es von Vorteil, wenn erfindungsgemäss die Klappe so gesteuert ist, dass im Teillastgebiet eine bestimmte Menge Abgas rezirkuliert.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung kann ein in an sich bekannter Weise einlassseitig angeordneter Ladeluftkühler ausserhalb des einlassseitigen Schwingsystems zwischen dem Verdichter und einem Einlassrohre verbindenden Ausgleichsbehälter unmittelbar vor diesem angeordnet sein. Ein solcherart angeordneter Ladeluftkühler kann ohne nachteilige Beeinflussung des Schwingsystemes in dieses integriert werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 schematisch einen 6-Zylinder-Reihenmotor mit kombinierter Aufladung ; Fig. 2 in gleicher Darstellung wie die Fig. 1 einen 4-Zylinder-Motor ; Fig. 3 wiederum in gleicher Darstellung einen 5Zylinder-Motor ; Fig. 4a und 4 b einen Ausschnitt aus den Darstellungen der vorhergehenden Figuren zur Illustration der Möglichkeit der Anordnung eines Ladeluftkühlers und Fig. 5 erneut in gleicher Darstellung wie in den Fig. 1 bis 3 einen 8-Zylinder-V-Motor zur Veranschaulichung der Anwendung der Erfindung bei Motoren höherer Zylinderzahl durch Verdoppelung der Anordnungen.
Fig. 1 zeigt schematisch einen 6-Zylindermotor. Die im nicht näher dargestellten Motorblock angeordneten Zylinder (la, Ib, lc, ld, le, lf) weisen je ein nicht näher dargestelltes Einlass- und Auslassventil auf. Entsprechend der üblichen Arbeitsweise eines derartigen Motors ist die Arbeitsspielordnung derart, dass sich die
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Gruppen eine Kurbelwinkeldifferenz von 120 besteht. Diese Ordnung führt zu einer Aufteilung der Einlass- und Auslassorgane in zwei Gruppen, wie in Fig. l dargestellt. Die Auslassventile der Gruppe der Zylinder (la bis 1c) münden je über einen Auslasskanal (2) in einen gemeinsamen Abgasreceiver (3).
Eine analoge Anordnung ist für die Auslassventile der Gruppe der Zylinder (ld bis 1f) getroffen, die über Auslasskanäle (2) in einen ihnen zugeordneten Abgasreceiver (3) münden. Von Jedem der beiden Abgasreceiver (3) führt ein Auspuffrohr (4) die Abgase zu einer Abgasturbine (5) bevor sie ins Freie gelangen. Die von den Abgasen angetriebene Abgasturbine (5) treibt über eine gestrichelt dargestellte Antriebsverbindung (6) einen Verdichter (7). Die Abgasturbine (5) und der Verdichter (7) bilden zusammen den Turbolader des dargestellten Motors.
Analog der auslassseitigen Anordnung münden die Einlassventile der Gruppe der Zylinder (la bis Ic) je über einen Einlasskanal (8) in einen gemeinsamen Resonanzbehälter (9) und entsprechend münden die Einlasskanäle (8) der Zylinder (ld bis 1f) in einen zweiten solchen Resonazbehälter (9). Die beiden Resonanzbehälter (9) sind je über ein Resonanzrohr (10) mit einem Ausgleichsbehälter (11) verbunden. Dieser ist seinerseits über eine Luftzufuhrleitung (12) mit der Austrittsseite des Verdichters (7) des Turboladers verbunden. Die beiden einlassseitigen Resonanzbehälter (9) sind wie aus Fig. 1 ersichtlich, mittels Verbindungsleitungen (13) kreuzweise mit den auslassseitigen Abgasreceivem (3) verbunden.
In diese Verbindung (13) zwischen Einlassseite und Auslassseite ist ein Absperrorgan hier in Form je eines Rückschlagventils (14) eingesetzt, das den Durchfluss von der Auslass-zur Einlassseite hin sperrt.
Arbeitsweise und Wirkung des beschriebenen Turboladers (5,7) können als bekannt vorausgesetzt werden.
Das resonanzfähige Schwingsystem für die zusätzliche Resonanzaufladung wird durch die beiden Resonanzrohre (10), den Ausgleichsbehälter (11), den Resonanzbehältem (9) und den Einlasskanälen (8) einlassseitig, sowie durch die Verbindungsrohre (13) und die auslassseitigen Organe, Auslasskanäle (2), Abgasreceiver (3) und Auspuffrohre (4) gebildet.
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Dieses Schwingsystem umfasst somit sowohl einlassseitige als auch auslassseitige Organe sowie deren Verbindung. Dieses Schwingsystem wird so abgestimmt, dass seine Eigenfrequenz bei offener Verbindung (13) in einem gewünschten Motordrehzahlbereich liegt. Im Betrieb dieses Motors werden die Gasschwingungen durch die sich zyklisch folgenden Auspuffstösse der Zylinder (la bis lc bzw. Id bis If) angeregt und ergeben am Ende der Ansaugtakte der über die Verbindung (13) verbundenen Einlassseiten der Zylinder (ld bis 1f bzw. la bis Ic) die Nachladung.
In den Fig. 2 und 3, welche in gleicher Darstellungsart wie Fig. 1 einen 4-Zylinder- bzw. einen 5-ZylinderReihenmotor zeigen, sind die Komponenten des Schwingsystems der Arbeitsweise solcher Motoren, insbesondere deren Zündordnung, Ventilsteuerung und Überschneidung Ansaug-und Auspufftakte angepasst dargestellt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Das Schwingsystem umfasst hier nach der vom Verdichter (7) zu einem Resonanzbehälter (9) führenden Luftzufuhrleitung (12), den Resonanzbehälter (9) selber, sowie die beim Beispiel der Fig. 2 vier und beim Beispiel nach Fig. 3 fünf diesen mit den Zylindern (la bis Id bzw. la bis le) verbindenden Einlasskanäle (8) einlassseitig, auslassseitig einen Abgasreceiver (3), die vier bzw. fünf in diesen mündenden Auslasskanäle (2) der Zylinder (la bis Id bzw. la bis le) sowie das Auspuffrohr (4) und die den Resonanzbehälter (9) mit dem Abgasreceiver (3) verbindende Leitung (13), in welche wiederum ein Absperrorgan (14), z. B. ein Rückschlagventil geschaltet ist.
Auch hier wird dieses Schwingungssystem so abgestimmt, dass seine Eigenfrequenz bei offener Verbindung (13) bei einer gewünschten Motordrehzahl liegt. Die Gasschwingungen werden durch die sich zyklisch folgenden Auspuffstösse angeregt. Die Luftzufuhrleitung (12) muss derart ausgeführt sein, dass ihre Eigenfrequenz ausserhalb der vom Motor gegebenen Erregerfrequenz liegt.
Die besprochenen Anordnungen lassen sich jederzeit durch einen Ladeluftkühler ergänzen. Bei einem 6Zylindermotor nach dem Beispiel der Fig. 1 wird ein solcher Ladeluftkühler (15) zweckmässig wie durch die Fig. 4a veranschaulicht unmittelbar vor dem Ausgleichsbehälter (11) im Anschluss an die Luftzufuhrleitung (12) geschaltet. Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 und 3 sinngemäss, wie in Fig. 4b gezeigt, in die Luftzufuhrleitung (12).
Die Fig. 5 veranschaulicht beispielhaft eine zweckmässige erfindungsgemässe Ausbildung von Brennkraftmaschinen höherer Zylinderzahl als derjenigen der Beispiele der Fig. 1 bis 3. Diese Ausbildung geht jeweils aus einer Vervielfachung insbesondere Verdoppelung der Anordnungen nach den letztgenannten Fig. 1 bis 3 hervor, wobei allerdings in der Regel pro Motor nur ein Turbolader, d. h. nur ein Verdichter (7) und nur eine Turbine (5) vorgesehen wird, denen entsprechende Leitungsverzweigungen folgen. Diese Vervielfachung geht im Einzelnen aus der in Fig. 5 gezeigten 8-Zylindermaschine hervor, welche eine Verdoppelung der in Fig. 2 dargestellten Anordnung für eine 4-Zylindermaschine bildet. Wiederum sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Sinngemäss lassen sich 10-Zylindermaschinen als Verdoppelung der in Fig. 3 gezeigten 5-Zylindennaschine und 12-Zylindermaschinen als Verdoppelung der in Fig. 1 gezeigten 6-Zylindennaschine erfindungsgemäss ausbilden.
In allen Fällen kann das Absperrorgan bzw. können die Absperrorgane (14) durch einfache Rückschlagventile wie dargestellt gebildet sein, die wie bereits erwähnt so in die Verbindung zwischen Einlass- und Auslassseite geschaltet sind, dass sie nur einen Durchfluss von der Einlassseite zur Auslassseite zulassen. Ausführungstechnisch ist dabei darauf zu achten, dass die Strömungsverluste im Absperrorgan (14) sehr gering gehalten werden.
Erweist sich aus Gründen der Abgasqualität bei sehr tiefer Last und/oder zur Verbesserung der Kaltstarteigenschaften eine gewisse Abgaszirkulation als erwünscht, kann gemäss einer Weiterbildung der Erfindung das bzw. jedes Absperrorgan (14) auch eine steuerbare Klappe sein. Die Regelung eines solchen Absperrorgans kann dann in Abhängigkeit diverser Motorparameter wie Einspritzpumpen, Regelstangenstellung und/oder Motorendrehzahl, Abgastemperatur usw. erfolgen.
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