DE19606668A1 - Vorverdichtete Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine vorverdichtete Brennkraftmaschine, umfassend einen durch Abgas angetriebenen Turbolader, einen Vorverdichter, der von der Maschine mechanisch angetrieben wird, wobei die Druckseite des Vorverdichters mit der Ansaugseite des Turboladers verbunden ist, und eine Ventileinrichtung, die sich in einem mit der Ansaugseite des Turboladers verbundenen Kanal befindet und in einer ersten Ventilposition die Ansaugseite des Turboladers nur mit der Druckseite des mechanischen Vorverdichters verbindet und in einer zweiten Ventilposition eine Luftzuführung an den Turbolader an dem mechanischen Vorverdichter vorbei erlaubt.

Es ist eine bekannte Tatsache, daß eine turbogeladene Dieselmaschine immer den Nachteil aufweist, daß das Drehmoment im niedrigen und mittleren Bereich gering ist, wenn der Turbolader für einen hohen Ladedruck bei hohen Maschinengeschwindigkeiten optimiert ist, um den Motor mit hoher Leistung zu versehen. Es ist auch eine bekannte Tatsache, daß ein relativ schlechter Ladedruck des Turboladers bei geringer Umdrehungszahl durch einen mechanisch angetriebenen Vorverdichter kompensiert werden kann, der in der oben angegebenen Weise mit dem Turbolader in Reihe verbunden ist, d. h. die Druckseite des mechanischen Vorverdichters ist mit der Ansaugseite des Turboladers verbunden. In dieser Weise wird ein Ladedruck auf der Druckseite des Turboladers erreicht, der das Produkt des Ladedrucks der Kompressoren ist.

Die Verwendung von mechanischen Vorverdichtern in Fahrzeugen, die auf öffentlichen Straßen verkehren sollen, erzeugt jedoch Probleme mit einer Geräuschunterdrückung, da mechanische Vorverdichter Geräusche bei einem nicht akzeptablen hohen Niveau erzeugen, insbesondere, wenn sie in Maschinen mit Luftzwischenkühlung und langen und großen Luftsystemen, d. h. exakt denjenigen, die in turbogeladenen Maschinen Verwendung finden, verwendet werden. Das Geräuschproblem ist in Maschinen im Überlauf, d. h. mit keiner Last und geschlossener Drossel, am größten, da der maximale Ladedruck unter derartigen Bedingungen den maximalen Ladedruck bei Vollast beträchtlich übersteigt. Wenn der letztere 1,4 Bar ist, kann der Druck in einer Maschine im Überlauf und Nullast so groß wie ungefähr 1,7 Bar sein.

Geräusche mit großer Amplitude, die ein mechanischer Vorverdichter erzeugt und die sich insbesondere in dem Auslaßkanal ergeben, müssen deshalb unterdrückt werden. Aus der SE-A-463 223 ist bekannt, Geräusche von einem Schraubenkompressor zu unterdrücken, beispielsweise in einer Kühlanlage unter Verwendung einer Laval-Düse, die mit der Einlaß- oder Auslaßöffnung des Kompressors verbunden ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht, ausgehend von der voranstehend erwähnten bekannten Geräuschunterdrückungstechnologie, darin, eine Maschine des in dem einleitenden Abschnitt erwähnten Typs zu entwickeln, die mit einer einfachen Einrichtung, die in einem normalen Maschinenraum in einem Schwerlastfahrzeug angebracht werden kann, eine derartig gute Rauschunterdrückung aufweist, daß sie hinsichtlich des Komforts keine Unannehmlichkeiten erzeugt.

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch die Bereitstellung eines Einlaßkanals von einem Luftfilter, der in eine Expansionskammer führt, aus der der Kanal, der die Ventileinrichtung enthält, zu der Ansaugseite des Kompressors des Turboladers führt und von der ein zweiter Kanal zu der Ansaugseite des mechanischen Vorverdichters führt, und dadurch, daß ein Kanal, der eine erste Düse enthält, die Druckseite des mechanischen Vorverdichters mit der Ansaugseite des Turboladers verbindet.

Experimente, die mit einer Dieselmaschine eines Hubraums von sechs Litern durchgeführt wurden, haben gezeigt, daß mit einer derartigen Kombination einer Expansionskammer auf der Ansaugseite und einer Düse auf der Druckseite des mechanischen Vorverdichters eine Geräuschunterdrückung von dem mechanischen Vorverdichter von 1-4 DB(A) erzielt werden kann.

In einer weiteren Entwicklung der Erfindung führt die Düse in eine konische Expansionskammer, deren größter Durchmesser größer als der innere Durchmesser des Kanals vor dem Einlaß ist. Der Auslaß von der Kammer ist in der Form einer Düse, die identisch zu der Einlaßdüse ist. Experimente, die für die oben erwähnte Sechs-Liter-Maschine durchgeführt wurden, die mit dieser Doppeldüse mit einer zwischenliegend angeordneten Expansionskammer versehen ist, haben gezeigt, daß mit einer Maschine im Überlauf der Geräuschpegel in dem Bereich von 800-1500 UpM im Vergleich mit einer Maschine ohne Geräuschunterdrückung für Kompressorgeräusche um 4-8 DB(A) reduziert werden konnte.

Die Erfindung wird nachstehend mit näheren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen, die in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt sind, beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Maschine gemäß der Erfindung; und

Fig. 2 einen Längsquerschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Geräuschunterdrückungseinrichtung.

In Fig. 1 bezeichnet eine Bezugszahl 1 eine Brennkraftmaschine, beispielsweise eine Dieselmaschine, mit einem Auslaßrohr 2 und einem Einlaßrohr 3. Ein Turbolader, der allgemein mit einer Bezugszahl 4 bezeichnet ist, und ein mechanisch angetriebener Vorverdichter 5 des Verdrängungstyps führen Luft durch einen Kanal 6 von der Kompressorseite 7 des Turboladers 4 und über einen Luftzwischenkühler 8 an das Einlaßrohr 3 des Motors. Der Turbinenabschnitt 9 des Turboladers 4 ist auf der Einlaßseite über einen Kanal 10 mit dem Auslaßrohr 2 und auf der Auslaßseite mit einem Kanal 11 eines Abgassystems 12 verbunden. Der mechanische Vorverdichter 5 wird durch die Kurbelwelle 13 der Maschine über eine Übertragungseinrichtung angetrieben, die in der dargestellten Ausführungsform eine Riemeneinrichtung ist, umfassend eine Rolle 14, die zur gemeinsamen Drehung mit der Kurbelwelle 13 angeordnet ist, eine Rolle 16, die zur gemeinsamen Drehung mit einer Welle 15 angeordnet ist, eine Kupplungseinrichtung 18, die zwischen der Welle 15 und einer Eingangswelle an dem Vorverdichter angeordnet ist, und einen Antriebsriemen 19, der zwischen die Rollen 14, 19 gespannt ist.

Der Kompressorabschnitt 7 des Turboladers 4 ist auf der Ansaugseite mit einem Kanal 20 verbunden, der ein Rückschlagventil 21 enthält, welches sich auf der Ansaugseite öffnet. Der Kanal 20 verläuft von einer Expansionskammer 22, in die ein Ansaugkanal 23 von dem Luftfilter 24 der Maschine führt. Ein weiterer Kanal 25 erstreckt sich von der Expansionskammer 22 und ist mit dem Einlaß des mechanischen Vorverdichters 5 verbunden. Ein Kanal 26 von dem Auslaß des Vorverdichters 5 führt zu einem Übergang 27 des Kanals 20 stromabwärts des Rückschlagventils.

Der Kanal 25 auf der Einlaßseite des Vorverdichters 5 umfaßt eine Düse 28, durch die Luft von der Expansionskammer 22 an den Einlaß des Vorverdichters 5 fließt. Eine Düseneinrichtung, die allgemein mit einer Bezugszahl 30 bezeichnet ist, ist in dem Kanal 25 auf der Auslaßseite des Vorverdichters enthalten. Die Düseneinrichtung wird unter Bezugnahme auf die bevorzugte Ausführungsform, die in Fig. 2 gezeigt ist, mit näheren Einzelheiten beschrieben.

Das rechte Ende der Düseneinrichtung 30 in der Zeichnung ist mit dem Kanal 26a von dem Auslaß des mechanischen Vorverdichters verbunden, während das linke Ende mit dem Kanal 26b verbunden ist, der an den Übergang 27 in dem Kanal 20 führt. Die Düseneinrichtung 30 kann im Prinzip in drei unterschiedliche Abschnitte mit kontinuierlichen Übergang jeweils ineinander aufgeteilt werden, nämlich eine erste Düse 31, die sich von dem rechten Ende der Einrichtung in der Zeichnung und bis zu einer Teilungslinie "a" erstreckt, eine konische Expansionskammer 32, die in der dargestellten Ausführungsform den gleichen Konuswinkel α wie die Düse 31 aufweist und die sich von der Teilungslinie "a" an die Teilungslinie "b" erstreckt, und eine zweite Düse 33, die identisch zu der ersten Düse 31 ist und an dem linken Ende der Düseneinrichtung 30 endet. Allgemein sollte die Luftgeschwindigkeit an dem minimalen Querschnitt der Düsen 31, 33 so groß wie möglich sein und gleichzeitig sollte das Expansionsverhältnis in der Expansionskammer so groß wie möglich sein. Grenzen werden jedoch durch den maximalen zulässigen Druckabfall, verfügbaren Platz, die Kapazität des Riemenantriebs 14; 16, 19 etc. auferlegt. Experimente, die mit Düsen 31, 33 und einer Kammer 32 mit einem Konuswinkel von ungefähr 12° ausgeführt wurden und bei denen die Kammer ein Expansionsverhältnis von 1 : 2 bereitstellte, d. h. der größte Durchmesser "d" der Kammer war ungefähr 1,4 mal der innere Durchmesser "e" des Kanals 26a vor dem Einlaß, ergaben optimale Ergebnisse hinsichtlich einer Geräuschunterdrückung und eines Betriebsverhaltens für eine gegebene Maschine, die im fraglichen Fall eine Sechs-Zylinder-Dieselmaschine mit einem Hubraum von sechs Litern war. In Abhängigkeit von der Art der Maschine und des Geräuschfrequenzbereichs, der für die Rauschunterdrückung vorgesehen ist, werden sich die obigen Werte verändern. Hinsichtlich des Konuswinkels α, kann dieser ungefähr zwischen 10° und 15° liegen und hinsichtlich des Expansionsverhältnisses 1: ungefähr 1,7-2,3, d. h. der größte Durchmesser der Kammer kann ungefähr 1,3-1,5 mal der Durchmesser des Kanals 26a sein.

Die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Ausführungsform mit einer Expansionskammer 22, einer Düse 28 auf der Einlaßseite des mechanischen Vorverdichters und der Einrichtung 30 mit einer Doppeldüse mit einer zwischenliegend angeordneten Expansionskammer auf der Auslaßseite schafft eine maximale Geräuschunterdrückung von Geräuschen von dem mechanischen Vorverdichter 5. In Abhängigkeit von den Geräuschunterdrückungsanforderungen und dem verfügbaren Platz in dem Maschinenraum, etc. kann die Düse 28 auf der Einlaßseite und die Düse 33 nach der konischen Expansionskammer 32 weggelassen werden, da festgestellt wurde, daß die Expansionskammer 22 und die erste Düse 31 auf der Auslaßseite zusammen mit der konischen Expansionskammer den größten Beitrag zu der Geräuschunterdrückung liefern.

Wenn die Ansauganforderungen des Turboladers 4 die maximale Luftkapazität des mechanischen Vorverdichters übersteigen, wird das Rückschlagventil 21 geöffnet, so daß der Turbolader 4 Luft direkt von der Expansionskammer 22 ziehen kann. In dieser Position kann der mechanische Vorverdichter 5 über die Kupplung 18 getrennt werden.

Claims (8)

1. Vorverdichtete Brennkraftmaschine, umfassend: einen durch Abgas angetriebenen Turbolader (4), einen mechanisch durch die Maschine angetriebenen Vorverdichter (5), wobei die Druckseite des Vorverdichters (5) mit der Ansaugseite des Turboladers (4) verbunden ist, und eine Ventileinrichtung (21), die in einem mit der Ansaugseite (7, 26b) des Turboladers (4) verbundenen Kanal (20) angeordnet ist und die in einer ersten Ventilposition die Ansaugseite (7, 26b) des Turboladers (4) nur mit der Druckseite (26b) des mechanischen Vorverdichters (5) verbindet und die in einer zweiten Ventilposition eine Luftzuführung an den Turbolader (4) an dem mechanischen Vorverdichter (5) vorbei erlaubt, dadurch gekennzeichnet, daß, ein Einlaßkanal (23) von einem Luftfilter (24) in eine Expansionskammer (22) hineinführt, von der der Kanal (20), der die Ventileinrichtung (21) enthält, an die Ansaugseite des Kompressors (7) des Turboladers (4) führt, und von der ein zweiter Kanal (25) an die Ansaugseite des mechanischen Vorverdichters (5) führt, und daß ein Kanal (26), der eine erste Düse (31) enthält, die Druckseite des mechanischen Vorverdichters (5) mit der Ansaugseite (7, 26b) des Turboladers (4) verbindet.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Düse (28) in dem Kanal (25) zwischen der Expansionskammer (22) und der Ansaugseite des mechanischen Vorverdichters (5) angeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (21) ein Rückschlagventil ist, das so angeordnet ist, daß es die zweite Ventilposition einnimmt, wenn der Druck auf der Druckseite des mechanischen Vorverdichters (5) kleiner als der Druck in der Expansionskammer (22) ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Düse (31) auf der Auslaßseite in eine konische Kammer (32) hineinführt, deren größter Durchmesser ("d") größer als der innere Durchmesser ("e") des Kanals (26) vor dem Einlaß in die Düse hinein ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (31) und die Kammer (32) einen konischen Winkel von ungefähr 10°-15° aufweisen, und daß der größte Durchmesser ("d") der Kammer ungefähr 1,3-1,5 mal der innere Durchmesser ("e") des Kanals (26) vor dem Einlaß in die Düse hinein ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (31) und die Kammer (32) einen konischen Winkel von ungefähr 12° aufweisen, und daß der größte Durchmesser ("d") der Kammer ungefähr 1,4 mal der innere Durchmesser ("e") des Kanals vor dem Einlaß in die Düse hinein ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (32) einen Auslaß aufweist, der durch eine dritte Düse (33) gebildet wird.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Düse den gleichen konischen Winkel und den gleichen minimalen Durchmesser wie die erste Düse (31) aufweist, die den Einlaß an die Kammer bildet.