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)?RISCHGAS-LEITUNGSSySTEM FÜR SECHSZYLINDER-MOTOR MIT TURBOAÜF0LADUNG
Die Erfindung betrifft ein mehrräumiges ein mehrräumiges Frischgas-Leitungssystem
fttr turboaufgeiadene in Reihe, angeordnete sechszylinder-Kolbenbrennkraftmaschine
welches zwischen den Ansaugöffnungen der Zylinder und dem Turboauflader, angeordnet
ist.
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Die Leistung von Kolhenbrennkraftmaschinen kann beträchtlich erhöht
werden, wenn das Frischgas - worunter bei Motoren mit innerer Gemiechbildung die
zur Verbrennung benötigte Luft, bei Motoren mit ausserer Gemischbildung aber das
Brennstoff-Luftgemisch verstanden wird - nicht allein durch die Saugwirkung der
Zylinder, sondern zwangs-Häufig auch durch einen Verdichter in den Zylinderraum
des
Motors eingeführt wird. Als Verdichter wird wegen seiner zahlreichen Konstruktions-
und Kunktionsvorzüge heutzutage allgemein ein durch die Motorabgase angetriebener
Turboauflader benützt.
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Bekannt ist ferner ein Verfahren, das die Effekbivioät der Abgasturboaufladung
weiter verstärkt, seine frUheren günstigen Eigenschaften vermehrt und damit den
Anwendungabereich erweitert. Bei diesem Verfahren wiri im unteren Teil des Betriebsdrehzahlbereiches
des Motors, wo die Aufladewirkung des Turhoaufladers noch nicht ausreichend ist,
die durch günstig abgestimmte Schwingungen des Frischgases hervorgerufene dynamische
/Resonanz-/ Aufladung zur Ergänzung der Turboaufladung und zur Erhöhung der FrischgasfUllung
der Zylinder ausgenützt.
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Das maximale Drehmoment der nach diesem Verfahren arbeitenden Motoren
kann um 20-30 % grösser aein, als das der Motoren mit herkömmlicher Turboaufladung,
ebenso kann auch daß maximale Drehmoment bei einer erheblich niedrigeren Motordrehzahl
erreicht werden. Die Drehmomentelastizität des Motors wird dadurch verbessert, ferner
auch die Luftverschmutzung /Diesel-Rauchbildung/ bei kleineren Drehzahlen oder plötzlicher
Beschleunigung geringer.
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Zum günstigen Abstimmen der Frischgasshwingungen, d.h. zur Verwirklichung
der Resonanzaufladung ist der Motor mit einer Vorrichtung, einem Frischgas-Leitungssystem
versehen, das zwischen den Einlassöffnungen des Motors unddem Turhoauflader eingebaut
ist und aus den an die Saugöffnungen angeschlossenen Behältern - den Resonanbehältern
- den an diese angeschlossenen Rohren -den
Resonanzrohren ~ sowie
aus dem, die Resonanzrohre mit dem Turboauflader verbindenden Ausgleichsbehälter
besteht.
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An Jeden Motorzylinder känn je ein Resonanzbehälter angeschlossen
werden. Bekannt ist aber auch eine solche Lösung, bei der die Saugöffungen jeher
Zylinder, deren Ansaugeperioden einander nicht beträchtlich überdecken, mithin die
Einlassöffnungen von höchstens vier Zylindern an einen gemeinsamen Resonanzbehälter
angeschlossen sind, In dieser Hinsicht bietet der Sechszylinder-Reihemotor eine
vorzugliche Möglichkeit, dessen übliche Zündfolge 1-5-3-6-2-4 ist. Die laufende
Nummerierung bezeichnet der Reihe@ nach die einzelnen Zylinder. Innerhalb der heiden
Zylindergruppen des erwähnten Motors, zu denen die benachbarten Zylinder Nr. 1,
2, 3, bzw. Nr. 4, 5, 6 gehören, überdecken sich nämlich die Öffnungsperioden der
Einlassöffnungen praktisch nicht. Somit können die Einlassöffnungen der benachbart
angeordneten Zylinder der Gruppen an je einen gemeinsamen Resonanzbehälter angeschlossen
werden, wobei an jeden von diesen ein Resonanzrohr angeschlossen ist. Auf diese
Weise verbindet der A,usgleichsbehälter nur zwei Resonanzrohre mit dem Xurboauflader.
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Der Leitung wird Frischgas vom Verdichter des Turboaufladers zugeführt.
Die instationäre Saugwirkung der an Je einen Resonanzbehälter angeschlossenen Motorzylinder
bewirkt in diesem periodische Druckschwingungen, die in dem an den Resonanzbehälter
angeschlossenen Resonanzrohr die strömende Gassäule in Schwingung bringt.
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Wenn die Anzahl der Ansaug,perioden mit der Eigenachwingungszahl
des
akustischen Systems Ubereinstimmt, das von dem im Resonanzbehälter und im Resonanzrohr
strömenden Gas gebildet wird, gelangt; das System in Resonanz und als Ergebnis der
verstärkten Druckschwingungen kommt letzten Endes die das Turboaufladen ergänzende
dynamische /Resonanz-/ Aufladung zustande.In diesem Fall entstehen nämlich die positiven
Druckwellen der durch Resonanz verstärkten Druckschwingungen eben unmittelbar im
Augenblick vor den Schliessen der Einlassöffnung.
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Auf diese Weise treibt die momentane Druckwelle durch Superponierung
auf den Druck des Turboaufladers das Frischgas in den Motorzylinder. Von der Resonanzauf
ladung wird also der grösste Aufladungßeffekt bei Jener Motordrehzahl beigestellt,
bei der eine Resonanz zustande kommt; sie wird deshalb auch Resonanzdrehzahl genannt.
Ebenso iet auch bekannt, dass bei günstiger Wahl des Resonanzbehältervolumens und
der Resonanzrohrlänge, wobei das Volumen des Resonanzbehälters grösser als das halbe
Hubvolumen der angeschlossenen Zylinder, jedoch kleiner als dessen zehnfacher Wert,
bzw. das Resonanzrohr länger als der achtfache Kreisdurchmesser des dem Rohrquerschnitt
äguivalenten Kreises ist, die Resonanzaufladung nicht nur bei der Resonanzdrehzahl
oder in deren unmittelbaren Nähe, sondern im ganzen Betriebsdrehzahlbereich wirksam
ist.
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Der grösste Aufladungseffekt kommt naturgemäss auch in diesem Falle
bei der Resonanzdrehzahl zustande; weiter davon entfernt aber sinkt das Mass der
Auf ladung - sowohl in der Richtung der niedrigeren, wie auch der höheren
Drehzahlen
- nur allmählich, ohne plötzliche Übergänge.
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Auf diese Weise ergänzt die im Frischgaslietungssystem, mit gegebenen
Abmessungen seiner EinzelteiLe1 geschaffene Resonanzaufladung vorteilhaft die Turhoaufladung
und fördert damit den Frischgasbedarf des Motors nicht nur hei seiner Nenndrehzahl
und der Resonazdrehzahl, sondern ini ganzen Bereich der Betriebsdrehzahlen. Dies
aber ermöglicht eine grosse Betriebselastizität und die Erzielung einer günstig
verlaufenden Drehmomentkurve.
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Neben den dargelegten Vorteilen hat aber das vorstehend beschiebene
Aufladungsverfahren die nachteilige Eingeschaft, dass das zu seiner Verwirklichung
benötigte, aus Resonanzbehältern von bestimmten Rauminhalt, bzw. aus Resonanzrohren
bestimmter Länge, sowie aus dem Ausgleichsbehälter bestehende Prischgas leitui:gssysten
vie! Raum neben dem Motor erfordert.
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Beträgt beispielsweise der Durchmesser der Resonanzrohre von Kreis
querschnitt 70 mm, die Rohrlänge aber das achtfache des Durchmessers, nämlich 560
mm, so können sich - in Anbetracht der entsprechenden Abmessungen der Resonanzbehälter
und des Dämpfungsbehälters - für das erforderliche Frischgasleitungssystem solch
grosse Konturmasse ergeben, dass sie die Baubreite oder Bauhöhe des Motors Uberschreiten.
Die Resonanzrohre müssen natürlich nicht unbedingt senrecht zur Motorlängsachse
sein, sie können auch zu dieaer schräg eingebaut werden. Das kann zwar die Bauhreite
vermindern, doch die neben dem Motor -schräg nach vorne, oder nach hinten geführten
Rohre vergrossen zwangsläufig die Baulänge des Motors.
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Alldas erschwert oder vereitelt sogar den Einhau des
Motors
in Strassenkraftfahrzeuge; dadurch aber wird die praktische Anwendung des Verfahrens
samt der Nutaung seiner dargelegten Vorteile in Frage gestellt.
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Ziel der Erfindung ist demnach die Beseitigung der Einbauschwierigkeiten,
die aus der voluminösen Bauart des Frischgasleitungssystems für den Sechszylindermotor
mit Turboaufladung erwachsen; bzw. die Gestaltung eines solchen Frischgas-Leitungssystems,
das den Einbau-Raumbedarf des Motors nicht erhöht, und dadurch günstige Möglichkeiten
für die Anwendung in der Praxis sichert.
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Die Erfindung ist ein mehrräumiges Frischgas-Leitungssystem zu der
turboaufgeladenen in Reihe angeordneten SechszylinderKolbenbrennkraftmaschine, das
zwischen den Einlassöffnungen der Zylinder und dem Turboauflader angeordnet ist,
wobei das Leitungssystem zwei getrennte, einzeln an die Saugöffnungen von je drei
benachbarten Zylindern angeschlossene Resonanzbehälter mit einem Volumeninhalt grösser
als die Hälfte, jedoch keiner als das Zehnfache des Gesamthubvolumens der am Resonanzbehälter
angeschlossenen Zylinders besitzt, ferner zu jeden Resonanzbehälter ein mit seiner
Austrittsöffnung einmündendes Resonanzrohr gehört, dessen Mittellinie eine Länge
von mindestens dem Achtfachen des Durchmessers eines dem Rohrquerschnitt gleichen
Kreises hat, schließlich ein Ausgleichsbehälter vorgesehen ist, der die Einströmöffnung
der Resonanzrohre mit der Druckseite des Turboaufladers verbindet.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die in Richtung der Motorachse
aufeinander folgenden Resonanzbehälter, der Ausgleichsbehälter, sowie die kennzeichnende
Erstreckung der die Resonanzbehälter mit dem Ausgleichsbehälter
verbindenden
Resonanzrohre die gleiche Richtung haben, die Resonanzrohre aber jeweils in den
von ihrer Einströmöffnung weiter entfernten Resonanzbehälter münden.
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Vorteilhaft kann auch jene Ausfahrungaform des Frischgus-Leitungssystems
gemäss der Erfindung zum Einsatz kommen, bei welcher der Dämpfbehälter in seiner
LängserM-streckung eine gemeinsame Wand mit den Resonanzbehältern besitzt. In diesem
Falle können die Resonanzrohre zweckmässig sowohl im Ausgleichsbehälter wie auch
in den Resonanzbehältern vorgesehen werden.
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Eine weitere Ausführungsform des Leitungssystems gemass der Erfindung
ist jene Lösung, bei der in der Längarichtung der Resonanzbehälter und des Ausgleichs
behälters je eine Wand zugleich als Wand der Resonanzrohre auagebildet ist.
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Die Erfindung wird als Ausfahrungaheispiel anhand der Zeichnungen
Fig. 1-5 näher erläutert, worin durch Fig. 1 der Längsschnitt durch das erfindungsgemässe
Frischgas-Leitungssystem des Sechszylinder-Reihenmotora; durch Fig. 2-5 aber - ähnlich
wie in Fig. 1 - weitere Ausführungsformen dargestellt sind.
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Nach Fig. 1 ist der Resonanzbehälter 8 des zwischen den Ansaugöffnungen
la-6a der in Reihe angeordneten Sechszylinder-Kolbenbrennkarftmaschine und der Druckseite
7a des Turboaufladers 7 eingebauten Frischgas-Leitungssystems an die Einlassöffnungen
la-3a, der Resonanzbehälter 9 aber an die Einlassöffnungen 4a-6a angeschlossen.
Auf diese Weiee wird während der Ansaugperioden das Friechgas fAr die Zylinder 1-3
aus dem Resonanzbehälter 8, das Frischgas fUr die Zylinder 4-6 aber aus dem Resonanzbehälter
9
angesaugt. Der Rauminhalt der Resonanzbehälter ist grösser als
das halbe Hubvolumen der jeweils angeschlossenen Zylinder, jedoch kleiner als dessen
zehnfacher Betrag.
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Die Resonanzbehälter 8 und 9 sind mit dem Ausgleichsbehalter 10 über
die Resonanzrohre 11 und 12 verbunden, daren Mittelinienlänge mindestens achtmal
grösser ist als der Durchmesser des dem Rohrquerschnitt gleichen Kreises.
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Die Einströmöffnungen Lla und 12a der Rezonanzrohre kommunizieren
mit dem Ausgleichsbehälter 13, während die Austrittöffnung llb des Resonanzrohres
an den Resonanzbehälter 8, die Austrittöffnung 12b des Resonanzrohres 12 aber an
den Behälter 9 angeschlossen ist. Der Ausgleichsbehälter 10 steht mit der Druckseite
7a des Turboaufladers in Verbindung. Dies ist durch direkten Anschluss oder mit
Verwendung eines Verbindungsrohres möglich.
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Die Behälter 8, 9 und 10 werden nicht unbedingt von ebenen Flächen
begrenzt, so wie auch die Achse der Resonanzrohre eine beliebige Raumkurve sein
kann. Unter "kennzeichnender Längserstreckung" der Behälter wird hier die längsgerichtete
grösste Länge des von ihnen abgegrenzten Raumteiles, unter kennzeichnender Längserstrecknung
der Resonanzrohre aber die längsgerichtete grösste Lönge des von den Rohren beanspruchten
Raumteiles verstanden.
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Die kennzeichnende Längserstreckung der in. der iotorachsenrichtung
aufeinander folgenden Resonanzbehälter 8 und 9 stimmt gemäss dem Ausführungsbeispiel
mit der Richtung der Motorachse überein, und in die gleiche Richtung fällt auch
die kennzeichnende Längserstreckung des Auagleichßbehälters 10, sowie die der Resonanzrohre
11 und 12. Somit ist die kennzeichnende Längserstreckung aller
drei
Behälter, bzw. der beiden Resonanzrohre im Wesen parallel zur Motorlängsachse angeordnet,
und von diesen Bauelementen wird der an der Motorlängsseite zur Verfügung stehende
Platz voll ausgenützt.
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Um zu erreichen,dass durch die zur Motorlängsachse im wesentlichen
parallel verlaufenden, in vorgeschriebe ner Länge gefertigten Resonanzrohre die
Motorlänge nicht vergrössert wird, d.h. die Rohre weder vorne noch nach hinten über
die Motorkontur hinausragen, sind die Resonanzrohre 11 und 12 so angeordnet, dass
sie jeweils in den von ihrer Einströmullgsöffnung weiter gelegenen Reonanzbehälter
einmünden. Somit ist die Einströmöffnung 11a des Resonanzrohres 11 auf der dem Resonanzbehälter
zugekehrten Seite des Ausgleischsbehälters 10 angeschlossen, während die Austrittöffnung
lib in den von der Einsbrömöffnung lla entfernter gelegenen Resonanzbehälter 8 mündet.
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In ähnlicher Weise ist auch das Resonanzrohr L2 angeordnet, dessen
Austrittöffaung an den von der Einströmöffnung 12a weiter entfernten Resonanzbehälter
9 angeschlossen ist.
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Bei dieser Anordnung der Resonanzrohre kann die ganze Längserstreckung
des Frischgasleitungssystems zur Unterbringung der Rohre ausgenützt, und die Resonanzrohre
in gewünschter Länge an der Motorseite so angeordnet werden, dass sie die Konturmasse
des Systems nicht wesentlich vergrössern. Damit aber kann das Prischgasleit ungssystem
überaus kompakt gebaut werden, so dass der Einbau des mit dem gegebenen. System
veraehenen Motors in ein Nutzfahrzeug ermöglicht wird, d.he gunstige Bedingungen
für den praktischen Gebrauch geschaffen werden.
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In Fig. 2 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungslösung
des
beschriebenen Systeme zu sehen.
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hier sind die den Ansaugeöffnungen der Zylinder gegenüberliegenden
Wände 8a und 9a der Resonanzbehälter 8 und 9, sowie dit, den Resonanzbehältern zugekehrte
Wand lOa des Ausgleichsbehälters 10 als gemeinsame Trenwand ausgebildet.
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Hierdurch bilden die drei Behälter ein gemeinsames Werkstuck, wobei
der von ihnen beansprucnte Raumteil noch mehr als Behälterauminhalt ausgenützt werden
kann. Ausserdem hat die Ausgestaltung der gemeinsamen Wand auch im hinblick auf
die Fertigungstechnologie gewisse Vorteile, und eine beträchtliche Gewichtseinsparung
zur Folge.
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In Fig. 3 ist jene vorteilhafte Ausführungsform zu sehen, bei der
die Resonanzrohre 11 und 12 im ochwingungadämpfbehälter 10 selhst untergebracht
sind; der Dämpfbehälter hat dabei in der Längserstreckung eine gemeinsame Wand mit
den Resonanzbehältern 8 und 9. Bei dieser Lösung kann der von der Behältern eingenommene
Raumteil in vollam Ausmass als Behälterrauminhalt, bzw. zur Unterbringung der Resonanzrohre
aus genützt werden. Ein weiterer Vorteil erwächst daraus, dass das als Ausführungsbeispiel
dargestellte Frischgasleitungssystem als eine einzige, kompakte Einheit hergestellt
werden kann.
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Die in Fig. 4. dargestellte Ausführungsform hat ähnliche Vorzüge,
doch sind hier die Resonanzrohre 11 und 12 innerhalb der Resonanzbehälter vorgesehen.
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Im Ausführungsbeispiel Fig. 5 sind die Wände 8a und 9a der Resonanzbehälter
8 und 9, sowie die Wand lOa des Ausgleichsbehälters 10 als je eine Wand der zwischen
ihnen angeordneten Resonanzrohre 11 und 12 ausgestaltet. Aus dem Ausführungsbeispiel
ist zu ersehen, dass der beanspruchte
Raumteil auch hier völlig
ausgenlitzt ist, und günstige Bedingungen fUr den Einbau des Systems geschaffen
sind Die in den Ausführungsbeispielen vorgezeigten Vorteile können selbetrebend
auch dann erzielt werden, wenn das Frischgas-Leitungssystem nicht in der eingezeichneten
Ebene, sondern auch in hiervon abweichender Weise nebei dem Motor angeordnet wird.