DE1935155A1

DE1935155A1 - Verfahren und Einrichtung zur Verbesserung der Turboaufladung

Info

Publication number: DE1935155A1
Application number: DE19691935155
Authority: DE
Inventors: Kocsis Dipl-Ing Forenc; Horrath Dipl-Ing Gyoergy; Cser Dipl-Ing Gyula; Annus Dipl-Ing Imre; Florian Dipl-Ing Sandor
Original assignee: JARMUEFEJLESZTESI INTEZET; Csepel Autogyar
Current assignee: JARMUEFEJLESZTESI INTEZET; Csepel Autogyar
Priority date: 1968-07-10
Filing date: 1969-07-08
Publication date: 1970-02-12
Also published as: DE1935155C3; SU498916A3; GB1280683A; SE349844B

Description

Patentanwalt·

Bipl.-Ing. H. Tücher Berlin, den 8.7.1969

1B*rlln33(Grunewald) ' , Kj r/D - Fall 379/158

«·»*>·«·». »Γ·Ι. 11772 37

j Int£zet, Budapest. XI.,

Bartök Bfela iit 104, Ungarn, ,und
Csepel Autogyar, Szigeirhalom, Ungarn

VBRFAHRBii USD EIIfRXCHTUNG ZUR YSRBESdEKUNG DISH TURBOAUFLADUNG

Ge&en*tand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verbesserung der Turbo-Aufladung,

Der Arbeitsvorgang von Verbrennunge-Kolbenmotoren verläuft, wie bekannt, periodisch und die einzelnen Arbeitsphaaen wiederholen sielt zyklisch, Die zur Arbeit der Motoren erforderliche Wärmemenge wird im Verlaufe der Verbrennung des in den Zylinder des Motors periodisch zugefiihrten Kraftstoffes erzeugt, Unter Berücksichtigung des Uaretandes, daß die von Verbrennungsmotoren erhültilohe nützliche Ar-

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INSPECTED

belt oder Leistung von der in den Zylindern im Verlaufe der nacheinander folgenden Verbrennungsvorgänge freiwerdenden Wärmejnenge und dem Wirkungsgrad deren Nutzbarmachung abhängt, setzt die Erhöhung der Leistung und der sonstigen Parameter der Motoren, die Erhöhung der dem Bfotor im Verlaufe der Verbrennung zugeführten Wärmemenge bzw. die Verbesserung des Motorwirkungsgrades voraus. Die dem Zylinder des Motors während der Verbrennungsperiode zugeführte, d.h. die während der Verbrennung freiwerdende Wärmemenge ist neben der Effektivität der Verbrennung und den Verlusten grundlegend von der Menge und der Verbrennungswärme des verbrannten Kraftstoffes abhängig. Die Verbrennungswärme des Kraftstoffes wird durch dessen QualitäJ eindeutig bestimmt, und deshalb kann die im Verlaufe der Verbrennung im Motor freiwerdende Wärmemenge - bei qualitativ gleichbleibendem Kraftstoff - nur durch eine Erhöhung der dem Motor zugeführten Kraftstoffmenge gesteigert werden. In den Zylinder des Motors kann jedoch keine beliebig große Kraftstoffaienge ifageführt werden, da zu einer mit entsprechendem Wirkungsgrad erfolgenden Verbrennung auch eine ausreichende Saueretoffmenge erforderlich ist, was andererseits das Vorhandensein einer entsprechenden Menge von Luft voraussetzt. Mit anderen Worten, die im Zylinder des Motors frei werdende W^ärme kann nur in der Weise erhöht werden, wenn unter Beibehaltung des entsprechenden Mischungsverhältnisses die dem Zylinder zugeführte Kraftstoff- und Luftmenge gleichermaßen erhöht wird.

Bekanntlicherweise werden die Zylinder der Verbrennungs-Kolbenmotoren, während des Ansaugtaktes mit der zur Verbrennung erforderlich frischer Luft oder bei Motoren mit äußerer Gemischbildung, mit dem Kraftstoff-Luft-Gemisch aufgefüllt. Aus diesem Grunde ist es hinsichtlich der Größe der im Zylinder freiwerdenden Wärmemenge von entscheidender Bedeutung, in welchem Maße während des Ansaugtaktes der Motorzylinder mit frischer Luft oder dem Kraft-

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stoff-Luft-Gemisch aufgefüllt werden kann, was durch die Wirksamkeit der Aufladung, d.h. den Füllungsgrad des Zylinders oder des Motors charakterisiert wird.

Bei Kolbenmotoren erfolgt die Auffüllung der Zylinder in der Weise, daß die Kolben der einzelnen Zylinder im Verlaufe der Ansaugperiode im Zylinder einen Raum, freimachen, in welchen über den mit dem Einlaßventil oder Einlaßschlitz verbundenen Einlaßkanal sowie die sich an diesen anschließende Einlaßrohrleitung, d.h. das Einlaßrohrsyatem oder Saugrohrsystem aus der umgebenden Atmosphäre luft, evtl. bei Verwendung eines Vergasers ein Kraftstoff-Luft-Gemisch einströmt. Bei den modernen Verbrennungsmotoren steht während des Ansaugtaktes nur eine außerordentlich kurze Zeit zur Verfügung und deshalb treten in dem Einlaß (Saugrohr) £>y β tem hohe Geschwindigkeiten auf, und so kann der Luftwiderstand in dem Einlaß (Saugrohr) System, d.h. die Ausbildung desselben eine bedeutende Wirkung auf die durch den Motor tatsächlich ansaugbare Luft- bzw. Kraftstoff-Luft-Gemischmenge ausüben. Obwohl die im Einlaß (Saugrohr.) Syetem und beim Eintritt in den Zylinder auftretenden Strömunggver-r luste den Auffüllungsgrad der Motorerr beeinträchtigen, sind auch Ausführungen bekannt, bei denen durch eine zweckdienliche Ausbildung des Einlaß (Saugrohr) Systems, durch die bewußte Beeinflussung der in diesem System auftretenden Strömungserscheinungen oder durch eine Verzögerung des öffnens der Einlaßventile die durch die Motoren angesaugte Luft— bzw. Kraftstoff-Luft-Gemischmenge bedeutend erhöht, werden kann. Auch sind Ausführurgen bekannt, bei denen eine Erhöhung der Wirksamkeit der Aufladung durch Nutzbarmachung der Energie der Auspuffgase in der Weise angestrebt wird» daß die xiiit großer Geschwindigkeit ausströmenden Auspuffgase mit Hilfe eines zweckmäßig ausgebildeten Injektors die im Saugrohr strömende Luftsäule ansaugen» in Richtung des Zylinders beschleunigen und hiernach - durch das Verschließen eines Schiebers mit Zwangssteuerung das Saugrohr vom Aue-

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puffrohr trennend - die kinetische Energie der Luftsäule zur Erhöhung der Zylinderaufladung ausnutzen. Biese Verfahren werden der Fachliteratur als "akustische¹*, "inertiale¹· (Trägheits) oder "dynamische* Aufladungen bezeichnet, wodurch man auf die diese Wirkung auslösenden Physikalischen- und Strömungserscheinungen hinweist. Gemeinsame*Merkmal ^ all dieser Verfahren ist, daß die kinetische Energie der im Einlaß (Saugrohr) System pulsierend strömenden Luft bzw. des Kraftstoff-Luftgemisches zur Erhöhung der Aufladung ausgenutzt wird, und daß man dazu eine eigene Einrichtung, einen Kompressor oder Auflader nicht verwendet, und daß man deshalb diese Motoren auch als Ansaugmotoren (Motoren mit Unterdruck-Kraftstoff-Pörderung) bezeichnet.

In stärkerem Maße als vorstehend beschrieben kann die durch den Motor angesaugte Luft- oder Kraftstoff-Luft-Gemischmenge erhöht werden, wenn der Motor die Luft nicht unmittelbar aus der umgehenden Atmosphäre ansaugt* sondern wenn die Auffüllung seiner Zylinder durch eine besondere Vorrichtung, den sog. Auflader erfolgt. Letzterer ist bekanntlich ein mechanischer oder nach einem anderen System arbeitender Kompressor, der die Umgebungsluft verdichtet und sie mit entsprechend großem Druck in den Zylinder des Motors hereindrückt. Mit einer derartigen Hilfseinrichtung» dem ' Auflader, versehene Verbrennungsmotoren werden als Motoren mit Aufladung bezeichnet.

Die zum Antrieb der Aufladung erforderliche Leistung muß der Motor bereitstellen, und deshalb treten in den letzten Jahren hauptsächlich aus Wirtschaftlichkeitsgründen immer mehr die durch eine von den Motorauspuffgasen angetriebene Gasturbine betätigte Auflader, die sog* Turbo-Lader oder gemäß der Älteren Benennung Turbo-Auflader in den Vordergrund.

Eine derartige Einrichtung entnimmt die aum Antrieb erforderliche und bedeutende Leistung nicht der an der Kurbelwelle des Motors auftretenden nützlichen Leistung sondern der andernfalls hauptsächlich in Verlust gehenden Energie der

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Auspuffgase des Motors. Die 'Turbo-Iader bestehen bekannt-,lieh konstruktionsmäßig aus zwei Hauptteilen, von denen der eine die durch die Abgase des Motors angetriebene Gasturbine» der andere der mit ersterer auf einer gemeinsamen Welle angeordnete Kompressor ist. Der die eigentliche Förderung der luft bzw. des Kraft-Luft-Gemisches vornimmt. Die Verbrennungsmotoren, die im Interesse einer größeren Zylinderauffüllung mit einem Turbolader versehen sind, nennt man Motoren mit Turboaufladung. Je nach der Größe des Motors» der Zahl seiner Zylinder, seiner Bestimmung und in Abhängigkeit von sonstigen Paktoren, können die einzelnen Verbrennungsmotoren mit Turboaufladung mit einem oder mit mehreren Turboladern versehen werden.

Bei den Verbrennungsmotoren mit Turboaufladung saugt der Kompressor des Turboladers die Luft aus der umgehenden Atmosphäre, evtl. durch ein Luftfilter an, .und befördert sie dann unter einem hohen Druck evtl. bereits mit dem Kraftstoff zusammen durch das Einlaß (Saugrohr) System des Motors und das Einlaßventil oder dem Einlaßschlitz, in den Zylinder des Motors·

Die Menge der im Verlaufe der Ansaugperiode den Zylindern des Motors zugeführten Luft oder des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist neben den Abmessungen und Kennwerten des Motors in erster Linie von den Abmessungen und der Ausbildung des Turboladers und der Energie der die Turbine des Turboladers antreibenden Abgase abhängig. Aus diesem Grunde ist ein Verbrennungsmotor mit Turboaufladung mit defit Turbolader sorgfältig abzustimmen, damit die dem Motor zugeführte und mengenmäßig erhöhte Luft- oder Kraftstoff-Luft-Gemischzufuhr den Betriebsverhältnissen des Motorö entspricht. Die gegenseitige Abstimmung des Motors und des Turboladers ist in einzelnen Fällen, z.B. bei stationärem oder Schiffebetrieb» Vet denen der Motor für lange Zeit mit konstanter Belastung und Drehzahl läuft, eine verhältnismäßig; einfache und gut erfüllbare Aufgabe.

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Ein wesentlich ungünstigeres Anwendungsbeispiel bedeutet bei Motoren mit Turboaufladung der Straflenfahrzeugbetrieb. In letzterem Fall verändern sich, nämlich Belastung und Drehzahl des Motors zwischen ziemlich weiten Grenzen, wozu noch die durch den Betrieb der Straßenfahrzeuge hervorgerufenen häufig sehr schnellen Änderungen der Belastung und Drehzahl hinzukommen. Da der Verbrennungskolbenmotor und der Turbolader nach zwei vollständig unterschiedlichen Prinzipien arbeitende Maschinen sind, - die eine eine volumetrische, die durch Verwirklichung des Verdrängungsprinzips, die andere eine Rotationsmaschine, die durch Verwirklichung des Turboprinzips arbeitet - konnten Motor und Turbolader auf Grund unserer bisherigen Erkenntnisse auf gleichzeitig mehrere voneinander wesentlich unterschiedliche Betriebszustände und deren schnelle Änderungen nicht mehr günstig abgestimmt werden.

Das allgemeine Merkmal dieser Erscheinung liegt darin, daß der Turbolader bei Erhöhung der Motordrehzahl eine- immer größere Aufladung liefert und sich nicht an die durch den Motor erreichbare und durch das Fahrzeug bedingte Forderung nach einem elastischen Drehmoment anpaßt. So kann' z.B, ein Turbolader, der den Verbrennungsmotor im Bereich seiner Nenndrehzahl» d.h. seiner Höchstbetriebsdrehzahl günstig auffüllt, bei den dem Höchstdrehmoment des Motors entsprechenden oder diese unterschreitenden Drehzahlen» wie dies aus der Praxis bekannt ist, nunmehr eine unausreichende Wirkung ausüben, so daß sich daraus ein unelastischer, ein geringes Drehmoment und eine ungünstige Dynamik aufweisender Motor ergibt. Wird hingegen der Turbolader so ausgelegt, daß er eben bei den letzteren, niedrigeren Motordrehzahlen die entsprechende Aufladung bietet, so treten bei den Höchstbetriebsdrehzahlen des Motors übertriebene Beanspruchungen auf· die sowohl für den Motor als auch den Turbolader schadhaft sind und diese evtl. auch zerstören können.

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Bei den bisher bekannten Turboauf1adungsverfahren zeigten die Verbrennungsmotoren, in erster Linie die Dieselmotoren mit Turboaufladung, auch weitere nächteilige Eigenschaften. Bei diesen Motoren wird der Kraftstoff durch eine Dosier- bzw. Einspritzpumpe in den Zylinder' des Motors befördert, die vom Fahrer mittels eines Fußpedals oder eines Handhebels gesteuert wird. Bei einer plötzlichen Belastungsänderung - hauptsächlich bei einer Beschleunigung erhöht sich die in den Motor eingespritzte Kraftstoffmenge plötzlich, wobei der durch die Abgase angetriebene Turbolader - infolge seiner Trägheit - nur wesentlich später die Förderung der zum Verbrennen des Kraftstoffüberschusses erforderlichen größeren Luftmenge beginnt. Demzufolge verbrennt bei plötzlichen Beschleunigungen oder bei Gangschaltungen der Kraftstoff in den bisher bekannten Motoren mit Turboaufladung stets bei Luftmangel, was neben einer schädlichen Beanspruchung des Motors und der Unwirtschaftlichkeit des Vorganges auch eine gesundheitsschädliche und den Verkehr gefährdende Rauchbildung zur Folge hat· Obwohl man in der Praxis bestrebt war, die vorgenannten Mängel durch verschiedene Vorrichtungen, Reglerventile, usw. zu, mindern, war bis jetzt keine.Lösung bekannt, die diese Nachteile ganz oder in bedeutendem Maße behoben hätte.

Zum Beispiel ist ein Turboaufladungsverfahren bekannt, bei dem die durch die Einspritzpumpe des Dieselmotors zugeführte maximale Kraftstoff menge durch eine besondere Vorrichtung in Abhängigkeit'von der Höhe des im Ansaugrohr des Motors hinter dem Turbolader aufgebauten Druckes begrenzt wird. In sämtlichen Fällen, - z.B* plötzliche Beschleunigung oder Gaszugabe oder niedrige Motordrehzahl - wenn der Turbolader verhältnismäßig wenig Luft fördert und ein ungenügender Druck im Saugrohr des Motors ent~ steht, begrenzt die Vorrichtung die Menge dea in den Motor einspritzbaren Kraftstoffes. Diese Lösung beseitigt die bereits erwähnte schädliche Rauchbildung sowie die Überlastung

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>- des Motors, jedoch wird dadurch die Dynamit des Motors wesentlich beeinträchtigt/ da letzterer in jedem Übergangsbetriebszustand nur unter Teillast laufen und dementsprechend nur einen Teil seines Nenndrehmoments liefern kann.

Als weiteres Beispiel kann das bekannte Turboaufladungsverfahren erwähnt werden, bei dem die Abgase aus dem Auspuffrohr vor dem Turbolader mit Hilfe von Umlenkventilen herausgelassen werden, wodurch man den bei hoher Motordrehzahl auftretenden zu starken Druckanstieg herabzusetzen beabsichtigt. In diesem Fall hält nur ein Teil der Abgase das treibende Turbinenrad des Turboladers und zwar offensichtlich mit einer wesentlich niedrigeren Drehzahl im Umlauf, Der Turbolader fördert mit der niedrigeren Drehzahl weniger Luft, und deshalb vermindert sich auch der Piillungs-

fc druck_φ Mit diesem Verfahren kann der günstige Betrieb des ■ Turboladers mit den niedrigeren Motordrehzahlen abgestimmt und der bei den höheren Drehzahlen auftretende zu starker Anstieg des Aufladungsdruckes durch Betätigung des Reglerventils vermieden werden.

Obwohl das beschriebene System theoretisch unzweifelhaft Vorteile aufweist, hat es sich in der Praxis nicht bewährt, da jeder Fehler des in das Auspuffrohr eingebauten außerordentlich hohen Wärmebeanspruchungen ausgesetzten Regelventils einen sprungartigen Aufstieg des Aufladungsdruckes und damit verbunden einen Bruch des Motors zur Folge hat. - .

Man könnte auch weitere Beispiele aufzählen - wie

ψ z.B. das Verfahren, daß ein Hintereinanderschalten von zwei oder mehreren Türboladern vorschlägt uew. - jedoch bestätigt auch eine Untersuchung der bisher ausführlich, beschriebenen Verfahren, daßdie Behebung der bestehenden Mängel der bekannten Turboaufladung in der Praxis durch verschiedene Turboaufladungsverfahren versucht wurde, jedoch bis jetzt keine tatsächlich günstige und die Forderungen der Praxis erfüllende Lösung gefunden werden konnte.

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Ziel der Erfindung ist eben deshalb die Beseitigung der bei der Arbeitsweise der Motoren mit Turboaufladung bisher auftretenden und erwähnten Mängel durch Erhöhung der Wirksamkeit der Turboaufladung, wodurch das Ausmaß der Zylinderauffüllung wesentlich erhöht, sowie die Leistung und Elastizität des Drehmomentes der Motoren verbessert, weiterhin die bei der Beschleunigung auftretende Rauchbildung auf einen Mindestwert herabgesetzt sowie ein derartiges bisher vollkommen unbekanntes Aufladungsverfahren verwirklicht werden kann, bei dem der Drehzahlbereich des Höchstdrehmomentes des Motors bedeutend erweitert wird.

Die Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Erhöhung der Wirksamkeit der Turboladung und eine Einrichtung zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Erfindung besteht darin, daß das Ausmaß der durch den Turbolader oder die Turbolader bewirkten Aufladung durch den die grüßte Aufladung bei einem stationären Vollastbetrieb des Turboladera oder der Turbolader in der NKhe der dem Höchstdrehmoment de3 Motors zugeordneten Drehzahl oder bei diese unterschreitenden Motordrehzahlen bzw. im Drehzahlbereich der Nennleistung des Motors gewährleistenden und durch die Trägheit sowie die durch den periodischen Sog. der Zylinder des Motors erregten Schwingungen des im Einlaß (Saugrohr) System des Motors strömenden Mediums erzeugten dynamischen Aufladungeffekt erhöht wird.

Eine zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrend dienende Einrichtung, die als ein Saugrohrsystem, bestehend aus mit den Einlaßventilen oder Einlaßschlitzen des Motors verbundenen und, zahlenmäßig mit der Zahl der Motorzylinder oder Einlaßventile übereinstimmenden Einlaßkanälen, an die Einlaßkanäle, angeschlossenen Saugrohren, die einzeln in je einen Resqnatorbehälter oder von denen nur die zu den sich, gegenseitig nach den Ansaugperioden nicht wesentlich überdeckenden Zylindern gehörenden Saugrohre d.h.. höchstens je 4 Zylinder - in je einen gemeinsamen Re-

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sonatorbehälter münden, dem Resonatorbehälter bzw. den Resonatorbehältern, an den Resonaterbehälter bzw. an die Resonatorbehälter angeschlossenen Resonanzrohren - zweckmäßigerweise bei jedem Resonatorbehälter aus je einem Resonanzrohr - evtl. einem diese Resonanzrohre mit dem Turbolader evtl. den Turboladern verbindenden Sammelrohr bzw. Sammelrohren oder einem Sammelbehälter bzw. Sammelbehältern und einem Verbindungsrohr bzw. Verbindungsrohren, ausgebildet ist.

Eine zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Einrichtung, die als ein Saugrohrsystem, bestehend aus mit den Einlaßventilen oder Einlaßschlitzen des Motors verbundenen und zahlenmäßig mit der Zahl der SIotorzylinder oder Einlaßventile übereinstimmenden Einlaßkanälen, an die Einlaßkanäle angeschlossenen Saugrohren und einem die Saugrohre mit dem Turbolader oder den Turboladern verbindenden Sammelrohr bzw. Sammelrohren oder einem Sammelbehälter bzw. Sammelbehältern und einem Verbindungsrohr bzw. Verbindungsrohren ausgebildet ist, bei dem die in Meter gemessene Länge L der einzelnen Einlaßkanäle (Saugkanä-Ie) und des an diese angeschlossenen Saugrohres vom Einlaßventil bis zum Sammelrohr oder Sammelbehälter länger als 1000/n_N__Wert ist.

Wobei

nj.__w . U/min- die Nenndrehzahl des Motors 1000 - eine experimentell bestimmte

Konstante bedeuten.

Eine zur Verwirklichung dea erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Einrichtung, die als ein' Saugrohreystem, bestehend aus mit den Einlaßventilen oder Einlaßschlitzen der Jiotorzylinder verbundenen Einlaßkanälen und an die Einlaßkanäle angeschlossenen Saugrohren - wobei von den Einlaßkanälen oder Saugrohren die zu den sich gegenseitig riach. den Ansaugperioden nicht wesentlich, überdeckenden Zylindern gehörenden Saugrohre, d.h.. höchstens je 4 Zylinder rn.it-

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einander verbunden sind und als verbundene Rohrgruppe an je ein vom Verbindung^querschnitt der Rohre der Rohrgruppe big zum Sa^rnmelrohr oder Sammelbehälter oder bei Fehlen von solchen bis zum Turbolader ausgebildeten Resonanzrohr angeschlossen sind - aus Resonanzrohren, evtl. dem die Resonanzrohre mit dem Turbolader oder den Turboladern verbindenden Sammslrohre bzw. Sammelrohren oder Sammelbehältern bzw. Sammelbehältern und einem Verbindungsrohr bzw. Verbindungsrohren ausgebildet ist.

Bei den Verbrennungsmotoren mit einer auf Grund des erfindungsgemäQai Verfahrens erfolgenden Aufladung ist in dem die Zylinder des Motors mit dem Turbolader verbindenden Saugrohrsystem eine bedeutende Luft- oder Kraftstoff-Luft-Gemischmenge aufgespeichert. In diesem Fall beschleunigt jeder Kolben des Motors zu Beginn der Ansaugperiode die im Saugrohraystem befindliche Luft bzw. daa dort befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch und bewirkt so eine bedeutende Erhöhung der kinetischen Energie, Diese periodisclie Erhöhung der kinetischen Energie erzeugt Schwingungen bei der im. Saugrohraystem befindlichen und eine ausreichend große Trägheit aufweisende Luft-,oder Kraftstoffluftgemischmenge_s in deren Ergebnis vor dem Einlaßventil oder dem Einlaßschlitz, des eben ansaugenden Zylinders im Einlaßkanal in der zweiten Hälfte der Ansaugperiode ein großer Überdruck aufgebaut wird. Infolge des Überdruckes wird in den gegebenen Zylinder die frische Luft oder das Kraftstoff-Luftgemisch in erhöhtem Maße eingepreßt, wodurch auch die Menge bedeutend ansteigt. Dies hat zur Folge, daß der Auffüllungsgrad (die Wirksamkeit der Aufladung) ohne eine wesentlichere Beanspruchung des Turboladers unter Einwirkung der schwingungsbedingten augenblicklichen Überdrücke im Vergleich zu den bisher bekannten Motoren mit Turboaufladung um 10-30 # ansteigt . '

Die im Saugrohrsystem auftretenden Schwingungen erreichen in einem gewissen Motordrehzahlbereich ihre größte

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Wirkung, und in diesem Bereich ist der Anstieg der Wirksamkeit der Motorauffüllung der bedeutendste. Dieser Drehzahlbereich ist von der Ausbildung und den relativen Maßen des Saugrohrsystems abhängig und kann demgemäß auch durch diese beeinflußt werden. Demzufolge kann das erfindungsgemäße Verfahren bei Motoren mit Turboaufladung unterschiedlich ausgenutzt werden.

Bei den in Straßenfahrzeugen gebräuchlichen Motoren mit Turboaufladung ist es zweckmäßig den die größte dynamische Aufladungswirkung gewährleistenden Motordrehzahlbereich so auszuwählen, daß dieser nahe zum Höchstdrehmoment des Motors oder etwas darunter liegt. In diesem Fall verbessert sich die Wirksamkeit der Aufladung bei einem das erfindungsgemäße Verfahren verwirklichenden Motor eben in dem Drehzahlbereich sprunghaft, in dem früher der Turbolader noch ziemlich wirkungslos war. Infolge der Erhöhung der Zylinderauffüllung steigt auch das Höctetdrehmoment des Motors, und die zugehörige Drehzahl vermindert sich. Auch ist eine Verminderung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs, der Temperatur der Abgase und der Rauchbildung bei dem Motor feststellbar. Eine derartige Verbesserung der Parameter des Motors tritt, wie dies auch, durch zahlreiche praktische Messungen nachgewiesen wurde, in der gesamten unteren Hälfte de3 Betriebsdrehzahlbereichs des Motors ein. Unter Berücksichtigung des Umstandes, daß die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbare Erhöhung der Wirksamkeit der Auffüllung bei dem gegebenen Saugrohrsystem vom Betrieb des Turboladers fast unabhängig ist, tritt sie bei plötzlicher Beschleunigung und Drehzahländerung ebenso ein wie bei einem stationären Betrieb eines Motors mit Turboaufladung. Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt deshalb eine besonders gür.stige Wirkung unter den sich rasch ändernden Bedinungen des Straßenverkehrs.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann natürlich auch zur Erhöhung der Nennleistung (Hochtaleistung) von Motoren

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mit Turboaufladung in erster Linie im Schiffsbetrieb und .bei stationärem Betrieb ausgenutzt werden* In diesem Fall ist es zweckmäßig den die günstigste Wirkung gewährleistenden Motordrehzahlbereich so auszuwählen, daß dieser nahe der Fenndrehzahl des Motors liegt. Zahlreiche praktische Messungen bestätigten, daß die Nennleistung des Motors in solchen Fällen, ohne eine besondere Beanspruchung des Turboladers, in einzelnen Fällen sogar bei einer gleichzeitigen Verminderung des Aufladungsdruckes um 10-30 % erhöht werden kann.

Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Ver^· ':. fahrens -wodurch es ebenfalls kraß von den bisher bekannten Aufladungsverfahren unterschieden wird - ist, daß die Luftaufnahme eines nach diesem Verfahren arbeitenden Motors nicht nur bei einer gegebenen Drehzahl» sondern in einem sehr breiten Drehzahlbereich den durch das gegebene System zugelassenen Höchstwert erreicht. Die in der üblichen und bekannten V/eise erzeugte dynamische Aufladung (Aufladewirkung) erhöht infolge der im Saugrohr auftretenden Schwingungen den Luftverbrauch des Motors stets bei einer gegebener. Motordrehzahl in größtem Maße, Diese. Drehzahl ist neben der Ausbildung und den relativen Abmessungen des 'Saugrohrsystems auch noch von der in dem im Saugrohr strömenden Medium herrschenden Schallgeschwindigkeit abhängig. Ee ist nämlich bekannt, daß sich in einem ζusamraendrückbaren

Il

Medium jede Störung oder Änderung mit der darin herrschenden Schallgeschwindigkeit fortpflanat. Aus diesem Grunde verändern sich die in eism gegebenen Saugrohrsystem ablaufenden Schwingungeverhältnisse eines zusammendrückbaren Mediuns sowie die Eigenschwingungszahl des Systems proportional zur Schallgeschwindigkeit·

So ergibt eich, zum Beispiel in einer Saugleitung die aus dem zum Zylinder des Motors gehörenden Einlaßkanal bzw. dem an diesen angeschlossenen Saugrohr ausgebildet iert und bei der das zum gegebenen Einlaßkanal gehören-

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de Saugrohr unmittelbar aus der umgehenden Atmosphäre saugt, die Eigenschwingungszahl des trömenden Mediums zu

wobei - ' „ ■

a (m/sec) - die im Medium herrschende Schallgeschwindigkeit, L (m) - länge der Saugleitung vom Zylinder bis zur um- ' gebenden Atmosphäre bedeuten.

Auch unsere Versuche bestätigten, daß der Luftverbrauch (die Luftaufnahme) eines mit einer derartigen Saugleitung versehenen dynamisch aufgeladenen Motors in dem Fall am höchsten liegt, wenn die Drehzahl des Motors und die Eigenschwingungszahl (Eigenfrequenz) des in der Saugleitung strömenden Mediums, in einem bestimmten gegenseitigen Verhältnis stehen. Bei davon abweichenden Drehzahlen vermindert sich die Luftaufnahme. Dies ist die Ursache dafür, daß bei den in der Praxis bekannten dynamischen Aufladungsverfahren stete eine gewisse Motordrehzahl vorzufinden ist, bei der auch bei beliebiger Motorbelastung die je Zylinder angesaugte frische Auffüllungsmenge die größte ist.

Auch bei den bisher bekannten Turboaufladungsver— fahren konnte die Motordrehzahl genau bestimmt werden, bei der der aufgeladene Motor die frische Luftmenge verbrauchte. Diese fiel - aus den bekannten Eigenschaften des Turboladers folgend - streng mit der Drehzahl der Motornennleistung zusammen.

Ganz anders verhält sich die Lage bei dem erfindungsgemäßen Aufladungsverfahren. Bei einer Teillast des Motors, wenn verhältnismäßig wenig Kraftstoff verbrannt wird» bleibt die Temperatur der Abgase niedrig und auch ihr Volumenverhältnie gering. Dies hat zur Folge, daß verhältnismäßig wenig Energie im Turbolader verwertet wird und so dessen Turbinenrad auch langsam umläuft, natürlich wird auch, wenig

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Luft zum Motor gefördert. Die direkte Folge dessen ist, daß Druck und Temperatur des im Saugrohrsystem des Motors strömenden Mediums verhältnismäßig niedrig bleiben. Es ist jedoch allgemein bekannt, daß sich die in einem zusammendrückbaren Medium herrschende Schallgeschwindigkeit proportional zur Quadratwurzel der absoluten Temperatur des Mediums verhält. .In dieser Weise bleibt in sämtlichen Fällen, wenn der Turbolader verhältnismäßig wenig Luft fördert, die Schallgeschwindigkeit niedrig und wenn die Menge des durch den Turbolader beförderten Mediums wächst, erhöht, sich auch die Temperatur und damit zusammen auch die Schallgeschwindigkeit.

Aus dem besagten ergibt sich auch die anderswo noch nie festgestellte vorteilhafte Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei niedriger Drehzahl oder bei mit . Teillast laufendem Motor, wenn der Titbaiader selbst eben-" falls mit einer verhältnismäßig niedrigen Drehzahl läuft, ergibt sich infolge der niedrigeren Schallgeschwindigkeit bei einer verhältnismäßig niedrigen Motordrehzahl die größte Wirkung der durch die Schwingungen hervorgerufenen dynamischen Aufladung. Sobald dann nach dem Gasgeben durch den Fahrer auch der Turbolader und der Motor schneller zu laufen beginnen, erhöhen sich damit zusammen auch die Schallgeschwindigkeit sowie.die Drehzahl, bei der die dynamische Aufladung ihre größte Wirkung abgibt.

Mit anderen Worten, bei dem erfindungsgemäßen Aufladungsverfahren folgt der Höchstwert der durch die dynamische Aufladung gesicherten Auffüllungswirkung dem Lauf des Motors in einem außerordentlich breitem Motordrehzahlbereich. Dies hat zur Folge, daß eine wirksame Aufladung in einem wesentlich größeren Motordrehzahlbereich verwirklicht werden kann, als dies bei einem der bisher, bekannten. Aufladungsverfahren überhaupt zu erhoffen war. Eine natürliche Folge des vorstehend besagten ist, daß die bereits früher erwähnte Verbesserung der Motorparameter irr einem

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überraschend großen Drehzahlt) ere ich eintritt* wie dies
auch aufgrund zahlreicher praktischer Messungen festgestellt ' werden konnte.

Die für eine Verwirklichung des Erfindungsgemäßen Verfahrens zweckmäßigen Einrichtungen werden auf Ausführungsbeispielen auf Grund von Zeichnungen beschrieben, wobei

Fig. 1 einen 6-£ylinder-Dieselraotor mit Turboaufladung und dessen einen Resonatorbehälter und auch ein Resonatorroiir enthaltendes Saugrohrsystem im Schnitt,

Pig. 2. dasselbe in der Ansicht,

FIg, 3 einen 6~Zyllnder-Dieselmotor mit Turboaufladung und dessen durch ein Sammelrohr verbundene Saugrohre enthaltendes Saugrohrsystem im Schnitt»
φ Fig. 4 dasselbe in der Ansicht,

Fig. 3 ein weiterer 6-Zylinder-Dieselmotor im
Schnitt,

Fig. 6 dasselbe in der Ansicht darstellen.

In dem Zylinder 1 des auf den Fig. 1 und 2 dargestellten und mit einem Saugrohrsystem arbeitenden 6-Zylinder-Dieselmotor läuft der Kolben 2. Im Zylinderkopf 3 ist der Auslaßkanal angeordnet, an den sich das Auspuffrohr 5 • anschließt.

Ebenfalls im Zylinderkopf 3 sind auch das Einlaßventil 6.1 und der damit in Verbindung stehende Einlaßkanal
(Saugkanal) 7 angeordnet, an den sich das Saugrohr 8 anschließt. Der im Ausführungsbeispiel Vorgeführte Motor be-™ sitzt demgemäß ein Einlaß- und ein Auslaßventil je Zylinder. Versieht man die sechs Zylinder des Motors mit einer laufenden Numerierung beginnend vom Schwungrad 18, so ergibt sich die 2ünd- und demgemäß auch die Ansaugfolge der Zylinder des Motors zu 1-V-III-VI-II-IV_- Aus der üblichen Arbeitsweise des Motors fließend, folgen'die Zylinder I,
III und II sowie die Zylinder V, VI und IV einander in
der Arbeitsweise mit einem Kurbelwellenverdrehungsv?lnkel

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von 240°. Dieser Winkelwert stimmt praktisch-mit dem öffnungswinkel der zu den einzelnen Zylindern gehörenden Einlaßventilen überein. Deshalb sind die Ansaugperioden der einzelnen Zylinder (Glieder) sowohl bei der aus den Zylinder I, II und III als auch bei der aus den Zylindern IT, V und VI bestehenden Zylindergruppe aufeinander folgend angeordnet, d.h. ihre Ansaugperioden überdecken einander entweder überhaupt nicht nur in einem geringen Maße. Die Saugrohre der Zylinder I, II und III sind demgemäß zu den sich nach Ansaugperioden gegenseitig in bedeutendem Maße nicht überdeckenden Zylindern gehörenden Saugrohre und münden so in einen gemeinsamen 'Resonatorbehälter, in den Resonatorbehälter 9. In ähnlicher V/eige sind die zu den Zylindern IY, V und VI gehörenden Saügrohre ebenso an einen gemeinsamen Resona to-rbehälter 10 angeschlossen. An den Resonatorbehäl— ter 9 ist das Resonanzrohr 11 angeschlossen, dae in die gemeinsame Sammelröhre 13 mündet. Das Sammelrohr 13 ist durch das Verbindungsrohr 14 mit dem. Turbolader 15 des Motors bzw. mit dem Kompressor 16 des Turboladers 15 verbunden. An einer mit dem Kompressor 16 des Turboladers 15 gemeinsamen Welle ist die Turbine 17 angeordnet, an die sieh das Auspuffrohr 5 anschließt.

Die Abgase des Motors erreichen durch das Auspuffrohr 5 durchströmend die Turbine 17 und bringen diese in Umlauf. Die durch die Turbine strömenden Abgase gelangen durch die öffnung 17/& in die freie Atmosphäre oder in die auf der Zeichnung nicht dargestellte Auspuffrohrleitung.

Der Kompressor 16 des Tu,rboladers saugt durch die öffnung l6/a unmittelbar oder durch das auf der Abbildung nicht dargestellte Luftfilter aus der Atmosphäre die Luft an und drückt sie in das Verbindungsrohr 14. Die Luft strHmt aus dem Terbindungsrohr 14 in das Sammelrohr 13₅ wo sie sich in z.wel Teile teilt und durch die Eesonanzrohre 11 sowie 12, die Resonanzbehälter 9 sowie 10 und dann durch die Saügrohre zu den Zylindern strömt. Unter Einwirkung des

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periodischen Ansaugens der Zylinder verlaufen sowohl im Reaonatorbehälter 9 als auch im Resonatorbehälter 10 periodische Druckänderungen, die zum Teil im. Resonanzrohr 11, zum Teil im. Resonanarohr 12 strömende Luftsäule zu Schwingungen erregt. Sobald die Eigenschwingungszahl des Systems und die Frequenz, der erregenden Druckänderungen in ein entsprechendes Verhältnis gelangen, kommt die im Saugrohrsystem befindliche Luft in einen intensiven Schwingungszustand und dieser gewährleistet die dem erfindu.ngagemäßen Verfahren entsprechende dynamische Aufladungawirkung.

Mit Hilfe der Einrichtung erhöht sich - in Abhängigkeit von den Abmessungen des Motors - in einem von 200 bis 500 U/min reichenden oder noch breiteren Drehzahlbereich die Wirksamkeit der Aufladung des Zylinders (Füllungsgrad) ziemlich bedeutend - um etwa 20—30 <%. In dieser Weise eignet sich die Einrichtung vorzüglich zur Erhöhung des Höchstdrehmoments von Motoren mit Turboaufladung, weiterhin zur Verbesserung der bei niedrigen Motordrehzahlen auftretenden Verhältnisse. Als besondere· Vorteile der Einrichtung können die günstig herstellbare Konstruktion und der verhältnismäßig geringe Platzbedarf erwähnt werden.

Die zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende weitere Einrichtung ist auf den Bildern 3 und 4 dargestellt. Die Anordnung des auf den Bildern zu sehenden turbogeladenen Dieselmotors iat mit der auf den Bildern 1 und 2 dargestellten Ausführung, identisch. Mit dem Einlaßventil 6 der einzelnen Zylinder des Motors ist der Einlaßkanal 7 verbunden, an den sich andererseits das Saugrohr 21 anschließt. Das Saugrohr 21 ist an das Sammelrohr 22 angeschlossen, das durch das Verbindungsrohr 23 mit dem Turbolader 15 verbunden wird. Unter Berücksichtigung des Ums tandes, daß der Motor je Zylinder einen, d.h.. insgesamt 6 Einlaßventile besitzt, schließen eich, an das Sammelrohr 21 seiihe annähernd gleich lange Saugrohre an. Die von dem Einlaßventil 6 bis zum Sammelrohr 22 in

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ITetr-r gemessene gemeinsame Länge L des Einlaßkanals / und d*3 Saiuirohres 21 ist größer als ^icoc/ⁿi}™^_ert ^u/^min ~ ^Mo~ ·:■-rnonndrehzahl . Infolge der ausreichend großen Länge L wi rd eine Luftsäule mit bedeutender Trägheit im Saugrohr und im Einlaßkanal (Saugkanal) gespeichert. Gelangt die Eigenschwingungszahl in ein günstiges Verhältnis zur Mo-tfi-fdrchzahl, so kommt die im Einlaßkanal 7 und im Saugrohr ?.I befindliche Luftmenge in eine intensive Schwingung und ergibt dem .erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend die die Turboaufladung ergänzende dynamische Aufladungswirirung.

Mit Hilfe der Einrichtung kann die Wirksamkeit der Aufladung von turbogeladenen Motoren in einem besonders breiten Drehzahlbereich erhöht'werden.

Die zur Verwirklichung des erfindungsgemäflen Verfahrens dienende weitere Einrichtung ist auf den Bildern 5 und 6 dargestellt. An den mit dem Einlaßventil 6 der einzelnen Zylinder des auf den Bildern dargestellten und bereits beschriebenen Dieselmotors mit Turboaufladung verbundenen Einlaßkanal 7 ist das Saugrohr 25 angeschlossen. Die Saugrohre 25/1» 25/11 und 25/IH der nach den Ansaugperioden einander in bedeutendem Maße nicht überdeckender; Zylinder I, II und III de3 Motors sind verbunden und münden in das Resonanzrohr 26. In ähnlicher Weise sind auch die zu den Zylindern IV, V und VI gehörenden Saugrohre ausgebildet, die jedoch in das Resonanzrohr 27 münden. Die Resonanzrohre 26 und 27 sind an das Sammelrohr 28 angeschlossen, das durch das Verbindungsrohr 29 mit dem Turbofader 15 verbunden wird. Die in den verbundenen Saugrohrtm der Einrichtung unter Einwirkung des periodischen Ansau·- gens der Zylinder entstehenden Druckänderungen erregen die in den Resonanzrohren 26 und 27 befindliche Luftsäule zu Schwingungen und auf deren Einwirkung sawie auf Einwirkung der Trägheit der Luftsäule entsteht - dem erfindungsgemäßen. Verfahren entsprechend - eine die Turboaufladung er-

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ganzende dynamische Aufladungswirkung.

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Ähnlich, dem vorgeführten Ausführungsbeispiel können dae erfindungsgemäße Verfahren verwirklichende Einrichtungen auch zu Verbrennungs-Kolbenmotoren mit Turboaufladung, jedoch anderer Zylinderzahl, anderer Anordnung und anderer Bestimmung ausgebildet werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE —

l.l Verfahren zur Verbesserung der Turboaufladung, .die durchreinen oder mehrere an den Verbrennungs-Kolbenmotor angeschlossene Turbolader erfolgt, dadurch g e — kennzeichnet, daß das Ausmaß der durch den Turbolader bzw. die Turbolader bewirkten Aufladung durch den die größte Aufladung bei einem stationären Vollastbetrieb des Turboladers oder der Turbolader in der Nähe der dem Höchstdrehmoment des Motors zugeordneten Drehzahl oder bei diese unterschreitenden Motordrehzahlen bzw. im Dreh— zahlbereich der Nennleistung des Motors gewährleistenden und durch die Trägheit sowie die durch den periodischen Sog der Zylinder des Motors erregten Schwingungen dee im .Einlaß (Saugrohr) System des Motors strömenden Mediums erzeugten dynamischen Aufladungseffekt erhöht wird.
2. Einrichtung zur Verwirklichung des Verfahrens nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie als ein Saugrohrsystem, bestehend aus mit den Einlaßventilen oder Einlaßschlitzen des Motors verbundenen und zahlenmäßig mit der Zahl der BTotorzylinder- oder Einlaßventile übereinstimmenden Einlaßkanälen, an die Einlaßkanäle angeschlossenen Saugrohren, die einzeln in je einen Resonatorbehälter oder von denen nur die zu den sich gegenseitig nach den Ansaugperioden nicht wesentlich überdeckenden Zylindern gehörenden Saugrohre - d.h. höchstens je vier Zylinder — in je einen gemeinsamen Resonatorbehälter münden, dem Resonatorbehälter, bzw. den .Resonatorbehältern, an den Resonatorbehälter, bzw, an die Resonatorbehältern angeschlossenen Resonanzrohre - zweckmäßigerweise bei jedem Resonatorbehälter aus je einem Resoranzrohr — evtl, einem diese Resonanzrohre mit dem Turbolader evtl. den Turboladern verbindenden Sammelrohr bzw» Sammelrohren oder einem Sammelbehälter bzw. Sammelbehältern und einem Verbindungerohr bzw. Verbindungsrohren, ausgebildet ist»
3. Einrichtung zur Verwirklichung des Verfahrens

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na.-h Anspruch Ii dadurch gekennzeichnet , daß sie als ein Rohrsystem, bestehend aus mit den Einlaßventilen oder Einlaßschlitzen des Motors verbundenen und zahlenmäßig mit der Zahl der Motorzylinder oder Einlaßventile übereinstimmenden Einlaßkanälen, an die Einlaßkanäle angeschlossenen Saugrohren und einem die Saugrohre mit' dem Turbolader oder den Turboladern verbundenen Sammelrohr bzw. Sammelrohren oder einem Sammelbehälter, bzw. Sammelbehältern und einem Verbindungsrohr baw. Verbindptigsrohren ausgebildet ist, bei dem die in Meter gemessene Länge L der einzelnen Einlaßkanäle (Saugkanäle) und des an diese angeschlossenen Saugrohres vom Einlaßventil bis zum Sammelrohr oder Sammelbehälter länger als
wol ei

n_w „,„ +. U/min - die ETenndrehzahl des Motors JN—wen; *

1000 - eine experimentell bestimmte

Konstante bedeuten.
4. Einrichtung zur Verwirklichung des Verfahrens nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet , daß sie als ein Saugrohrsystem, bestehend aus mit den Einlaßventilen oder EinlaQschlitzen der Motorzylinder verbundenen Einlaßkanälen und an die Einlaßkanäle angeschlossenen Saugrehren — wobei von den Einlaßkanälen oder Saugrohren die zu den sich gegenseitig nach, den Ansaugperioden nicht wesentlich überdeck· end en Zylindern gehörenden Saugrohre, d.h. höchstens je vier Zylinder miteinander verbunden sind» und als verbundene Rohrgruppe an je ein vom Verbindungsq.uerschnitt der Rohre der Rohrgruppe bis zum Sammelrohr oder dammelbehälter oder bei Fehlen von solchen bis zum Turbolader ausgebildetes Resonanzrohr angeschlossen 3ind, — aus Heaonanzrohren, evtl. einem die Reaonansrohre mit dem Turbolader oder den Turboladerri verbindenden Sammelrohr bzw. Sammelrohren oder Sammelbehältern baw. Sammelbehältern und Verbindungsrohr bzw. Verbindungsrohren ausgebildet ist.

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