CH657895A5

CH657895A5 - Verfahren und vorrichtung zur aufladung einer verbrennungskraftmaschine durch turboaufladung.

Info

Publication number: CH657895A5
Application number: CH4137/82A
Authority: CH
Inventors: Rudolf Ernst Ellensohn
Original assignee: Fiat Veicoli Ind
Priority date: 1982-07-07
Filing date: 1982-07-07
Publication date: 1986-09-30
Also published as: GB2125892A; GB8317940D0; SE456176B; DE3320711A1; SE8303893D0; FR2534971A1; FR2534971B1; GB2125892B; SE8303893L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine durch Turboaufladung unter Verwendung eines einlassseitigen Verdichters und einer auslassseitigen Turbine und Ausnutzung der Gasschwingungen mittels eines Schwingsystems.

Turboaufladung ist zurzeit das wohl bekannteste Mittel zur Steigerung der spezifischen Leistung einer Verbrennungskraftmaschine. Wegen der unterschiedlichen Schluckcharakteristik von Turbolader und 4-Takt-Verbrennungs-motor ergeben sich jedoch recht komplexe Anpassprobleme, 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 4-Takt-Fahr-zeugmotor 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 erweitern sind eine Reihe von Massnahmen bekannt geworden.

So ist es beispielsweise für Kleinmotoren allgemein üblich, zur Regelung des maximalen Aufladedruckes nach dem Verdichter oder vor der Turbine ein Abblasventil anzuordnen.

Weiter ist es bekannt, die Turboaufladung mit einer Aufladung durch ein Resonanzsystem zu kombinieren. 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 Luftzufuhrrohr 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 Liefergrad der Zylinder unter Einwirkung der schwingungsbedingten augenblicklichen Überdrücke bei Einlass-ventilschluss 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.

Neben solchen einlassseitigen Anordnungen mit einem auf Resonanz abgestimmten Schwingsystem ist auch die Anordnung eines Schwingsystems auslasseitigz.B. aus der DE-OS 2 914 691 bekannt. Das in dieser Druckschrift beschriebene Verfahren sieht vor, das Schluck- bzw. Lieferverhalten von 4-Takt-Motor und Turbolader zu entkoppeln, um die Betriebsbedingungen für den letzteren dem reinen Gasturbinenprozess anzunähern. Die Entkopplung wird dadurch bewerkstelligt, dass eine Verbindungsleitung (Bypass) den Einlasskollektor nach dem Verdichter mit dem Auslasskollektor vor der Turbine verbindet. Diese Verbindungsleitung ist parallel dem Motor geschaltet. Ein in ihr befindliches Ventil lässt eine Regelung des Luftstromes durch die Verbindungsleitung zu. Durch Ausnützung der vom Ladungswechsel des Motors erzeugten Pulsations-energie aus den ansaugseitigen Druckschwankungen in der Ladeluft einerseits und aus den auspuffseitigen Druckschwankungen im Auspuffsystem andererseits soll eine so grosse Druckdifferenz über der Verbindungsleitung erzeugt werden, dass bei Teillast eine grosse Luftmenge über die Verbindungsleitung 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 welcher der grösste Luftmangel zu erwarten ist.

Ein aufladetechnisch ähnliches Verfahren, 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 entgegenstehen. 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 Resonanzsystems immer einen Kompromiss zwischen optimaler Wirkung, zulässiger Bau-teilgrösse und akzeptablen Strömungsverlusten im Einlasssystem darstellt. Dabei wird die Dimensionierungsfrage um so kritischer, je tiefer das Resonanzfrequenzspektrum angesetzt wird.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde im Vergleich zu den bekannten Aufladesystemen die Druckamplituden auf der Einlassseite und damit den Nachladeeffekt zu erhöhen, die Absorption von Ladungswechselarbeit für die Anregung zu vermindern und den Turbolader vom Motor zu entkoppeln, um ihn in einem günstigeren Betriebsbereich betreiben zu können.

Hierzu ist das erfindungsgemässe Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass- und die Auslassorgane der Maschine durch eine Verbindung zu einem resonanzfähigen Schwingsystem verbunden werden, wenn der Druck nach dem Verdichter grösser ist als der Druck vor der Turbine.

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens in einer mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und mit schwingfähigen Einlassorganen, Verbindungsorganen und Auslassorganen zeichnet sich erfindungsgemäss dadurch aus, das Einlassorgane, Auslassorgane sowie eine Verbindung derselben zu einem Schwingsystem abgestimmt sind, dessen aufladewirksame Eigenfrequenz nahe der Erregerfrequenz ist, und dass in diese Verbindung ein Absperrorgan geschaltet ist, das Einlass- und Auslasskomponenten des Schwingsystems verbindet, wenn der Druck einlassseitig höher ist als auslassseitig,

Durch den erfindungsgemäss vorgeschlagenen Beizug der Auslassseite zur Bildung des Resonanzschwingsystems werden erhebliche Vorteile gewonnen. 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 Druckamplituden erreicht. Durch den gleichen Effekt ergibt sich eine Absenkung des Druckes im Bereich zwischen den Pulsationen, was wiederum die Ladungswechselarbeit und damit den Brennstoffverbrauch vermindert. Gleichzeitig werden die Schluckcharakteristiken von Motor und Turbolader, mit den sich hieraus ergebenden Vorteilen, entkoppelt. Das Absperrogan kann ein Rückschlagventil sein, das in der Weise in die Verbindung geschaltet ist, 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 aber aus Gründen der Abgasqualität bei sehr tiefer Last und/oder zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens der Maschine eine Abgasrezirkulation erwünscht, ist es zweckmässig, das Absperrorgan als verstellbare Klappe auszubilden, deren Lage in Abhängigkeit der Belastung, Leistung und Drehzahl der Brennkraftmaschine regelbar ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch einen 6-Zylinder-Reihenmotor mit kombinierter Aufladung;

Fig. 2 in gleicher Darstellung wie die Fig. 1 einen 4-Zylindermotor;

Fig. 3 wiederum in gleicher Darstellung einen 5-Zylinder-motor;

Fig. 4a und 4b einen Ausschnitt aus den Darstellungen der vorhergehenden Figuren zur Illustration der Möglichkeit der Anordnungeines 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, lb, le, ld, le, lf weisen je ein nicht näher dargestelltes Einlass- und Auslassventil auf. Entsprechend der üblichen s Arbeitsweise eines derartigen Motors ist die Arbeitsspielordnung derart, dass sich die Zylinder la, lb, lcbzw. ld, le, lf mit einem Kurbelwinkel von 240° folgen und zwischen diesen beiden Gruppen eine Kurbel Winkeldifferenz von 120° besteht. Diese Ordnung führt zu einer Aufteilung der Ein-io lass- und Auslassorgane in zwei Gruppen, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Auslassventile der Gruppe der Zylinder 1 a bis 1 c münden je über einen Auslasskanal 2 in einen gemeinsamen Abgasreceiver 3. Eine analoge Anordnung ist für die Auslassventile der Gruppe der Zylinder ld bis lf getroffen, die über 15 Auslasskanäle 2 in einen ihnen zugeordneten Abgasreceiver 3 münden. Von jedem der beiden Abgasreceiver 3 führt ein Auspuffrohr 4 die Abgase zu einer Abgasturbine 15, bevor sie in Freie gelangen. Die von den Abgasen angetriebene Abgasturbine 5 treibt über eine gestrichelt dargestellte Antriebsver-20 bindung 6 einen Verdichter 7. Die Abgasturbine 5 und der Verdichter 7 bilden zusammen den Turbolader des dargestellten Motors.

Analog der auslassseitigen Anordnung münden die Auslassventile der Gruppe der Zylinder 1 a bis 1 c je über einen 25 Einlasskanal 8 in einen gemeinsamen Resonanzbehälter 9 und entsprechend münden die Einlasskanäle 8 der Zylinder ld bis lf in einen zweiten solchen Resonanzbehälter 9. Die beiden Resonanzbehälter 9 sind je über ein Resonanzrohr 10 mit einem Ausgleichsbehälter 11 verbunden. Dieser ist 30 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 Abgasreceivern 3 verbunden. In diese 35 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 40 5,7 können als bekannt vorausgesetzt werden.

Das resonanzfähige Schwingsystem für die zusätzliche Resonanzaufladung wird durch die beiden Resonanzrohre 10, den Ausgleichsbehälter 11, den Resonanzbehältern 9 und den Einlasskanälen 8 einlassseitig, sowie durch die Verbindungsrohre 13 und die auslassseitigen Organe, Auslasskanäle 2, Abgasreceiver 3 und Auspuffrohre 4 gebildet. Dieses Schwingsystem umfasst somit sowohl einlassseitige als auch auslasseitige 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 lcbzw. ldbis lf angeregt und ergeben am Ende der Ansaugtakte der über die Verbindung 13 verbundenen Einlassseiten der Zylinder ld bis lf bzw. la bis lc die Nachladung.

In den Fig. 2 und 3, welche in gleicher Darstellungsart wie Fig. 1 einen 4-Zylinder- bzw. einen 5-Zylinder-Reihenmotor 60 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 65 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

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bis ld bzw. la bis le verbindenden Einlasskanäle 8 einlassseitig, auslassseitig einen Abgasreceiver 3, die vier bzw. fünf in diesen mündenden Auslasskanäle 2 der Zylinder 1 a bis 1 d 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 6-Zylinder-motor 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 s geht im Einzelnen aus der in Fig. 5 gezeigten 8-Zylinderma-schine 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-Zylindermaschine und 12-Zylindermaschinen als Verdoppelung der in Fig. 1 gezeigten 6-Zylindermaschine 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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3 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine durch Turboaufladung, unter Verwendung eines ein-lassseitigen Verdichters und einer auslassseitigen Turbine und Ausnutzung der Gasschwingungen mittels eines Schwingsystems, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassund die Auslassorgane der Maschine durch eine Verbindung ( 13) zu einem resonanzfähigen Schwingsystem verbunden werden, wenn der Druck nach dem Verdichter (7) grösser ist als der Druck vor der Turbine (5).

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, in einer mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und mit schwingfähigen Einlassorganen, Verbindungsorganen und Auslassorganen, dadurch gekennzeichnet, dass Einlassorgane (11,10,9,8), Auslassorgane (2,3,4) sowie eine Verbindung ( 13) derselben zu einem Schwingsystem abgestimmt sind, dessen aufladewirksame Eigenfrequenz nahe der Erregerfrequenz ist, und dass in diese Verbindung ein Absperrorgan (14) geschaltet ist, das Einlass- und Auslasskomponenten des Schwingsystems verbindet, wenn der Druck einlassseitig höher ist als auslass-seitig.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrorgan (14) ein Rückschlagventil ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrorgan als verstellbare Klappe ausgebildet ist, deren Stellung in Abhängigkeit der Belastung, Leistung und Drehzahl der Brennkraftmaschine regelbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassorgane einen Ladeluftkühler (15) umfassen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrorgan (14) so steuerbar ist, dass im Teillastgebiet eine bestimmte Menge Abgas zu rezirkulieren vermag.