DE2657794A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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Kennwort: "Ladeluftmotor" S-I5I 87 Sodertalje

Brennkraftmasohine

Die Erfindung betrifft eine mit Aufladung betriebene Brennkraftmaschine, vorzugsweise einen Otto-Motor, von jenem Typ, bei welchem die Aufladung mittels eines Verdichters vorgenommen wird, der im Einlaßsystem des Motors angeordnet und von einer Turbine betrieben ist, die im Abgassystem des Motors angeordnet ist und welche ihrerseits von den Abgasen angetrieben wird. Ein solcher Motor weist eine Bypass-Leitung auf, die die Turbine zur Auslaßleitung des Abgassystemes umgeht, ferner ein Ventil, das die Menge des durch den Bypass-Kanal und die Turbine geleiteten Abgases regelt.

Ein solche Anordnung 1st aus Otto-Motoren mit Vorverdichtung bekannt, insbesondere bei Motoren für Hennfahrzeuge. Hierbei geht es in erster Linie darum, eine hohe Gesamtleistung zu erzielen, wenn der Motor mit entsprechend hoher Motorlast und hohen Motorgeschwindigkeiten betrieben wird. Die Regelung der Aufladung des Motors wurde dementsprechend im Hinblick hierauf gestaltet. Bisher ist das Abgassystem solcher Motoren mit einem Ventil ausgestattet worden, das die Aufgabe hatte, einen Teil der Abgasmenge durch das sogenannte Waste-gate zu regeln, ein Bypass-Kanal parallel zur Abgasleitung zur Turbine des Aufladers» Offnen und Sohliessen dieses Ventils wird durch den Einlaßdruck des Motors geregelt. Bei einem vorbestimmten Einlaßdruck öffnet das Ventil die Bypass-Leitung, um dem Abgas duroh Durchfluß zu gestatten, wobei ein Teil des Abgases nicht mehr durch die Turbine strömt. Das Aufladen des Motors wird hierdurch vermindert, jedoch findet bei steigender Motordrehzahl immer nooh ein Anstieg des Einlaßdruckes statt, da die zunehmende Öffnungsbewegung des Ventiles nicht in der Lage ist, den gesteigerten Durchsatz von aus dem Motor kommenden Abgasen zu kompensieren.

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Mit einer solchen bekannten Anordnung erzeugt der Verdichter Im Einlaßsystera des Motors einen Druck» der mit zunehmender Motorgesohwlndigkeit ansteigt. Dieser Einlaßdruok erreicht einen Höchstwert bei der höchsten Motordrehzahl. Dieser Faktor ist für die Auswahl weiterer Motorparameter entscheidend« z.B. dem Kompressionsverhältnis des Motors und der Qualität des verwendeten Brennstoffes. Ungeachtet der Motorparameter, die man ausgewählt hat» sind Motoren» deren Aufladung durch die zuvor beschriebene bekannte Anordnung geregelt werden» in erster Linie dazu gedacht» bei hohen Drehzahlen zu laufen. Dies ist z.B. bei Rennfahrzeugen der Fall. Andererseits sind derartige Motoren unwirtschaftlich und für den Betrieb bei relativ geringen Drehzahlen» bei welchen normale Motorfahrzeuge Üblicherweise gefahren werden» völlig ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde» eine aufgeladene Verbrennungskraftmaschine zu schaffen» die für ein Normalfahrzeug geeignet ist» die im Brennstoffverbrauch sparsamer ist und die einen besseren Wirkungsgrad in den Qeschwindigkeitsbereiohen hat» bei denen der Motor meistens arbeitet.

Gemäß der Erfindung wird bei einer mit Aufladung betriebenen Brennkraftmaschine der zuvor beschriebenen Art im einzelnen folgendes vorgesehen: Das genannte Ventil ist mit einem Abgas-Druoktransmitter ausgestattet» der an die Betätigungsvorrichtung des Ventiles angeschlossen isti die Betätigungsvorrichtung ist derart angeordnet, daß sie das Ventil in Abhängigkeit von dem Druck des Abgases betätigt, so daß der Durchsatz durch die Turbine und durch den Bypass-Kanal geregelt werden» wenn der Abgasdruck einen vorbestimmten Wert erreicht, so daß die Drehzahl der Turbine und damit auch diejenige des Kompressors auf Werte begrenzt werden» wenigstens innerhalb eines oberen Drehzahlbereiches des Motors, die den Druck im Einlaßsystem des Motors mit zunehmender Motordrehzahl absenken.

Mit einer solohen erfindungsgemäßen Ausführung 1st es möglich, den Auflader derart zu regeln, daß die Maschine ein wesentlich höheres Drehmoment in einem mittleren Drehzahlbereioh abgibt.

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Um eine schnelle und wirkungsvolle Steigerung des Drehmomentes bei geringen Drehzahlen zu erreichen, haben sowohl Turbine als auch Verdichter des Aufladers viel geringere Abmessungen als Motoren mit Vorverdichtung Üblicherweise haben. Dies bedeutet« daß der Motor einen zunehmend ansteigenden Wirkungsgrad hat, wobei dieser Anstieg wenigstens im oberen Drehzahlbereioh des Motors begrenzt ist« so daß eine Selbstzündung des Kraftstoffs« der dem Motor zugeführt wird« vermieden wird. Die Beschränkung wird durch die zuvor erwähnte Verminderung des Einlaßdruckes herbeigeführt, wobei eine Ventilfeder od.dgl., die das Betätigungsmittel des Ventils betätigt, und die der Öffnung des Ventils entgegenwirkt, im Gleichgewicht steht mit dem Abgasdruck bei dem vorbestimmten Wert zum öffnen des Ventils.

Aufgrund der zuvor erwähnten Verminderung des Druckes wird die Aufladung des Motors sukzessive mit steigender Drehzahl Innerhalb des oberen Drehzahlbereiches des Motors vermindert. Diese Druckverminderung verringert ebenfalls das abgegebene Drehmoment des Motors und der Einlaßdruck zwischen dem maximalen Drehmoment und der maximalen Leistung des Motors entsprechenden Drehzahlen wird sukzessive vermindert, so daß die Grenze, bei welcher Selbstentzündung des Brennstoffes stattfindet, praktisch konstant-gehalten wird. Die Erfindung führt daher in dieser Richtung zu einer Verminderung des Einlaßdruckes zwischen den genannten Grenzen bei Voll-Last des Motors um wenigstens 10 #. Diese Verminderung bedeutet, daß die Verbrennungsbedingungen bei höheren Drehzahlen des Motors keineswegs eine höhere Brennstoffqualität erfordern, als im unteren Drehzahlbereich. Auf diese Weise wird zusätzlich zu dem Gesichtspunkt dos sparsamen Brennstoffverbrauches mit einer solohen Anordnung auch eine gute Zugkraftwirkung geschaffen, d.h. daß das abgegebene Drehmoment innerhalb eines großen Drehzahlbereiches des Motors stark ansteigt, was «in klarer Vorteil in Bezug auf die Art und Welse ist, in der ein normaler Autofahrer sein Fahrzeug fährt.

Zusätzlich zu dem voraus Gesagten gibt die erfindungsgemäße Anordnung Gewähr für hohe Zuverlässigkeit sowohl bei höhnen als auch bei geringen Temperaturen; sie gewährleistet ferner ruhigen und vibrationslosen Lauf des Motors, geringere Abmessungen und geringere Kosten.

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Die Erfindung ist anhand der Zeiohnung näher erläutert*

Pig. 1 gibt ein Diagramm wieder, das das Drehmoment, die Leistung sowie den Einlaßdruck eines vorverdichteten Otto-Motors in Abhängigkeit von der Drehzahl darstellt, mit erfindungsgemäßer Regelung des Motors·

Fig. 2 stellt im Schema eine bevorzugte AusfUhrungsform der Erfindung dar.

Fig. 3 gibt in einem Längsschnitt eine bevorzugte Ausführungsform eines Ventlles wieder, das Teil der Erfindung darstellt.

Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen vorverdiehteten Otto-Motor derart zu gestalten, daß der Verlauf des Einlaßdruckes und damit des Drehmomentes in einem mittleren Drehzahlbereich des Motors die höchsten Werte entwickelt, im wesentlichen der normalen Fahrt eines Fahrzeuges bei konstanter Geschwindigkeit auf einer Autobahn entsprechend. Die grundlegende Darstellung dieser Kurven ist in Fig. 1 wiedergegeben. Hierin stellt Kurve A das Motormoment dar (Zugkraft),Kurve B die Motor* leistung und Kurve C den Einlaßdruck des Motors, Jeweils als Funktion der Drehzahl* Die Kurven veranschaulichen eine spezifische Motorbelastung, und der Umdrehungsbereich, über welchem der Einlaßdruck abfällt, ändert sich mit der Motorlast, so daß der besagte Bereich mit abnehmender Motorlast ansteigt* Wie zuvor erwähnt, erbringt ein Motorfahrzeug mit solchen Merkmalen vorzügliche Zugelgensohaften Im unteren Oeschwindigkeitsbereich. Dies bedeutet, daß beim Fahren ein Schalten in geringeren Maße erforderlich ist. So kann das Fahrzeug beispielsweise beim überholen schneller und sicherer beschleunigt werden, ohne daß ein Herunterschalten notwendig ist. Auf diese Weise kann das Fahrzeug bei einem höheren Gang gefahren werden, als dies bisher möglich war, wobei gleichzeitig nooh Kraftstoff eingespart wird.

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Bel einem erfindungsgemäß gestalteten Kompressor-Motor läßt sieh ein Motormoment gemäß der Kurve A In Flg. 1 deshalb erreichen« well der Vorverdlohter im Einlaßsystem des Motors bei relativ geringer Drehzahl genügend hohen Druck erzeugt« so daß die Verbrennung in den Zylindern bei Temperatur- und Druckverhältnissen stattfindet» die einen Spielraum für Selbstzündung des in den Motor eingeführten Gas-Luft-Gemisohes schaffen. Dieser Spielraum kann 1 bis 3 Oktaneinheiten oberhalb demjenigen Wert entsprechen« bei welchem die Gefahr der Selbstzündung des Kraftstoffes auftritt. Im Bereich oberhalb der genannten relativ geringen Motordrehzahl steigt die abgegebene Leistung des Motors weiterhin gemäß Kurve B an. Die hieraus folgende Steigerung der Betriebstemperatur des Mo* tors führt in der Tendenz zu einer Steigerung der Gefahr der Selbstentzündung des Gas-Luft-Gemisches. Diese Tendenz kann mittels der erfindungsgemäßen Ausbildung vermindert und ausgeschaltet werden. Ein Anstieg der Drehzahl ist nämlich von einem fortschreitenden Abfall des Motor-Einlaßdruckes begleitet, so daß der zuvor erwähnte Spielraum der Selbstzündung des Kraftstoffes praktisch konstantgehalten ist. Der Abfall des Einlaßdruokes von dem bei maximalem Drehmoment herrschenden Drehzahlwert auf den bei maximaler Motorleistung herrschenden Drehzahlwert ist in Kurve C der Flg. 1 als gerade Linie wiedergegeben« welche den Mittelwert des Druckabfalles in Abhängigkeit der Drehzahl wiedergibt* Hierdurch läßt. sich der abfallende Druok Insbesondere in mm Hg pro 100 Upm wiedergeben. Bei Anwendung der Erfindung ergibt sich ein spezifischer Druckabfall von mehr als 2 mm Hg pro 100 Ujftn. Der gesamte Druckabfall innerhalb der genannten Grenzen beläuft sioh jedoch bei Voll-Last des Motors auf über 10 £.

Bei der in Fig. 2 wiedergegebenen Ausführungsform wird das Vorverdichten des Motors derart geregelt« daß der Einliißdruok des Motors Kurve C in Fig. 1 entspricht« Flg. 2 zeigt einen Otto-Motor 1 herkömmlicher Bauart« der mit einem Einlaßsystem 2 und einem Abgassystem 2 ausgestattet ist. Das Einlaßsystem 2 ist mit einem Einlaßluft-Geräuschdämpfer 21 ausgerüstet« der Luft durch ein Luftfilter in ein Filtergehäuse 22 einführt, bevor die Luft dem

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Einlaßsystem 2 weiter zugeführt wird. Die dem Motor 1 zuströmende Luft wird durch eine Luftmeßvorrichtung 23 hindurohgefUhrt, die einen Teil eines Kraftstoff-Einspritzsystems 4 aufweist. Nach dem Durchströmen des Filtergehäuses 22 wird die Luft an einen Verdichter 24 weitergeleitet» wo sie verdichtet wird. Hierdurch steigt der Druck in dem Einlaßsystem« vom Verdichterstrom abwärts gesehen, an. Der sich daran knüpfende Druckanstieg im Einlaßsystem 2 des Motors bedeutet» daß der Motor vorverdichtet ist. Der in Fig. 2 gezeigte Verdichter 24 ist ein Kreiselgebläse» das von einer Turbine 31 angetrieben ist. Diese ist im Abgassystem 3 des Motors 1 angeordnet. Das Laden wird somit mittels eines Laders bekannter Artj eines sogenannten Turboladers» vorgenommen.

Im Einlaßsystem 2 ist ein Drosselventil 25 eingebaut» durch welches die Luftmenge und damit auch die Treibstoffmenge» die dem Motor zugefUhrt wird» vom Fahrer des Fahrzeuges geregelt werden kann. Hierzu dient ein nicht dargestelltes äußeres Bedienungspedal» beispielsweise das Gaspedal. Der dem Motor zugeführten Ladeluft wird Kraftstoff Über eine Kraftstoff-Einspritzdüse 27 zugefUhrt. Diese ist in entsprechenden Einlaßrohren des Binlaßverteilers angeordnet. Die Menge des eingespritzten Kraftstoffes wird in Bezug auf die in der Luftmeßvorrichtung 25 gemessene Luftmenge geregelt. Das Einlaßsystem 2 ist ferner mit einem Druckregler 28 ausgestattet» der die Regelvorrichtung 41 des Kraftstoff-Einspritzsystemes derart regelt» daß die Kraftstoffzufuhr dann unterbrochen wird» wenn der höohstzulässige Druck im Einlaßsystem 2 Überschritten wird.

Die den Motor verlassendenAuspuffgase werden zum Antreiben der Turbine ?1 des Laders ausgenutzt» bevor diese Abgase in die Atmosphäre entweiohen. Man verwendet hierbei zweckmäßigerweise •inen katalytisohen Konverter 32 und ein Schalldämpfer 33. Das Auspuffsystem 3 umfaßt ferner einen Bypass 34» auch "Waste-gate" genannt» der die Turbine 31 umgeht. Der durch den Bypass 34 fließende Abgasstrom wird durch ein Ventil 5 geregelt. Sofern Ventil 5 geschlossen ist» strömt das gesamte Abgas durch die Turbine 31· Der Verdichter 24 kann dann im Elnlaßsystera 2 eine maximale Vorverdichtung erzeugen. Sin gewisser Teil des Druckanstieges

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im Einlaßsystera wird an Ventil 25 vermindert. Dies hängt von der Stellung dieses Drosselventiles 25 ab. Die Stellung kann vom Fahrer des Fahrzeugs von Hand eingestellt werden.

Mit einer solchen Anordnung soll sich ein hoher Grad der Vorverdichtung bei relativ geringen Drehzahlen erreichen lassen. Zu diesem Zweoke sind die Turbine 31 und der Verdichter 24 des Laders derart bemessen, daß sogar die kleine Abgasmenge« die von dem Motor bei geringen Drehzahlen abgegeben wird» im stände ist, die Turbine und damit den Verdichter derart in Umdrehung zu versetzen, daß ein relativ hoher Grad der Vorverdichtung bei geringen Motorgeschwindigkeiten erreicht wird.

Wenn die Motorgeschwindigkeit ansteigt, so daß die Menge des Abgases wie auch der Abgasdruck ansteigen, und wenn sich die Belastung ändert, was bei normalem Betrieb des Motors der Fall 1st, so erreicht der Abgasdruck denjenigen Wert, bei welchem die Turbine ^l den Verdichter 24 antreibt, um den Motor bei einem vorbestimmten, höchst zulässigen Druck zu laden. Um ein fortwährendes Aufladen des Motors zu vermeiden oder wenigstens zu verringern, und statt dessen den Ladedruck im Sinlaßsystem 2 bei ständiger Steigerung der Motorgesohwlndlgkeit zu verringern, wird das in Fig. 2 dargestellte Ventil 5 derart geregelt, daß es den Bypass ^4 derart regelt, daß dieser Abgas dann hindurohströmen läßt, wenn ein gewisser Druck im Abgasverteller 25 stromaufwärts der Turbine 21 erreicht 1st.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird dieses Arbeiten mittels des in Fig. 2 dargestellten Ventils 5 erreicht. Genaueres ergibt sioh aus Fig. 3. Ventil 5 ist derart gestaltet, daß es den Einlaß ja dem Bypass jj4 regelt (infitrömungsrichtung des Abgasstromes gesehen). Dies geschieht derart, daß vermieden wird, daß das im Bypass 34 verbleibende Gas die in den Abgasrohren 35 auftretenden Druckstöße dämpft. Die Druckstöße beeinflußen die Drehzahlen der Turbine günstig, selbst wenn nur geringe Abgasmengen strömen. Darüber hinaus erlaubt es diese Anordnung des Ventiles, des Ventiltellers oder hiermit verbundenen Teilen, daß Ab-

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gas in die Leitung 35 eindringt, durch die Turbine 31 strömt, wenn Ventil 5 geöffnet ist, so daß auf diese Welse der Strom des Abgases zu der Turbine 31 und durch diese hindurch gestört werden kann· Es sind jedoch Konstruktionsprobleme und Überlegungen, die mit der Kühlung des Ventiles 5 zusammenhängen, die häufig dazu fUhren, Ventil 5 am Fahrzeug vorn anzuordnen. Die in Fig. 3 dargestellte Ventilkonstruktion ist dazu gedacht, im Bereich des vorderen Teiles eines Fahrzeuges angeordnet zu werden, wobei die Öffnung des Bypasses 34 an die Auslaßseite des Auspuffs stromabwärts von Turbine 31 angeschlossen 1st.

Ventil 5, das in Fig. 3 in geöffneter Stellung gezeigt ist, weist eine Anzahl von Teilen auf, die mittels Schrauben 81 miteinander verbunden sind. Diese sind ein Ventilgehäuse 60, eine Tragplatte 67, ein Zwischenring 80, eine Zwischenplatte 75* eine Dichtung 73 und ein Lagergehäuse 70. Das Lagergehäuse 70 hat eine hierin fest angeordnete FUhrungsbuchse für einen axial verschiebbaren Ventilstößel 53. Der Ventilstößel trägt an seinem einen Ende einen Ventilteller 51, der mit einem Sitz 52 im Auslaß des Bypass-Kanales 34 zusammenarbeitet. Zwischen dem Ventilgehäuse 60 und dem Zwischenring 80 sind die Tragplatte 67 sowie eine Membran 61 angeordnet. Die Membran 6l unterteilt einen aus dem Ventilgehäuse 60 und dem Zwischenring 80 gebildeten inneren Raum in zwei Kammern, nämlich in eine Außenkammer 62 und eine Innenkammer 63. Die Membran 6l ist eine Rollmembran. Sie ist an den Ventilstößel 53 mittels zweier Platten 65 befestigt, deren jede auf den betreffenden Seiten der Membran 6l mittels Sicherungsmuttern 54 an dem Ventilstößel 53 befestigt ist.

Wenn der Ventilstößel 53 axial versohoben wird, so rollt ein ringförmiges, äußeres Teil 64 der Membran 61 relativ zum Gehäuse 60 ab« Das innere Ende 55 des Ventilstößels 53 ragt in die Außenkammer 62 hinein und 1st dort mit einer aufgeschraubten Halteplatte 56 versehen. Zwischen der Halteplatte 56 und der Tragplatte 67 befindet sioh eine Druckfeder, die eich gegen diese beiden Platten abstutzt. Die Tragplatte 67 ist mit einer Zentralbohrung ausgestattet, durch welche der Endteil 55 des Gewindestößels 53

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mit der hierauf festgeschraubten Mutter hindurchgehen kann. Der Zweck dieser Feder besteht darin« der öffnungsbewegung des Ventils 5 entgegenzuwirken. Die axiale Lage der Tragplatte 56, die durch eine Mutter 57 verriegelt ist, bestimmt die Vorspannung der Feder 66.

Die Außenkammer 62 steht über eine Leitung 68 in direkter Verbindung mit der Abgasleitung 35 oberhalb der Turbine 3I sowie der Verbindung des Bypass-Kanales 34 mit der Leitung 35 (siehe Fig. 2). Die Leitung 68 überträgt den Druck in der Druckleitung 35 zur Kammer 62, wobei die Membran 61 einer Kraft ausgesetzt 1st, die das öffnen von Ventil 5 veranlaßt. Um während kalter Witterung jegliche Schwierigkeiten zu vermeiden, ist es notwendig, daß die Leitung 68 auf ihrer gesamten Erstreckung von der Abgasleitung 35 nach oben ansteigt, um ein Vereisen von Kondensat zu vermeiden.

Die Innenkammer 63 steht über eine Bohrung 69 im Lagergehäuse 70 mit der Atmosphäre oder mit dem Einlaßsystem des Motors oberhalb des Verdichters 24 in Verbindung. Die Bohrung 69 ist im Verhältnis zu dem Rauminhalt von Kammer 63 klein. Dies bedeutet, daß Kammer als Mittel zum Dämpfen der Bewegung der Membran 61 und des Ventilstößels 53 wirkt.

Das Lagergehäuse 70 ist mit einer Ringschulter 74 ausgestattet, die in den mittleren Bereich der Kammer 6^ hineinragt und auf welcher der Dichtungsring 73 und die Zwischenplatte 75 angeordnet sind, in ihren Außendurohmessern dem Außendurchmesser der genannten Schulter 74 entsprechend. Die Zwischenplatte 75 ist mit einem äußeren Rlngflansoh 76 ausgestattet, der am Umfang des Zwischenringes 80 satt aufliegt und somit sicherstellt, daß der Ventilstößel 53 mit den zugehörenden Teilen, wie der Membran 61, fluchten. Bei der Bewegung des Ventiles arbeitet der rollende, äußere Teil 64 der Membran 61 unter dem Einfluß gleichmäßig verteilter Kräfte, was für die Lebensdauer der Membran 61 von Vorteil ist. Die Zwlsohenplatte 75 sorgt ebenfalls dafür, daß die Wärmeübertragung von dem Lagergehäuse 70 auf den Zwischenring 80 und auf das Ventilgehäuse 60 geringer ist, als dies dann der Fall wäre, wenn der Zwischenring 80 und/oder das Gehäuse 60 derart angeordnet wären, daß sie direkt an das

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Lagergehäuse 70 anschließen. Solche Maßnahmen zur Verminderung der Wärmeübertragung auf das Ventilgehäuse 60 vergrößern sowohl die Lebensdauer der Membran 61 als auch der Feder 66.

Zum Zwecke der Kühlung läßt man vorverdichtete Luft von dem Einlaßsystem 2 stromabwärts des Verdichters 24 zum Lagergehäuse 70 Über eine Leitung 77 strömen. Die Leitung 77 1st dichtend an das Lagergehäuse 70 mittels eines herkömmlichen Anschlußnippels 78 angeschlossen« der in eine Gewindebohrung 79 im Lagergehäuse 70 eingeschraubt 1st. Aus dieser Bohrung wird vorverdichtete Luft der sich längserstreckenden Lagerfläche zwischen der Lagerbuhse 71 und dem Ventilstößel 52 zugeführt. Der Ventilstößel 53 wfelst in Höhe der Bohrung 79 eine Einschnürung 58 auf. Diese dient dazu. Kühlluft Über die gesamte Lagerfläche zu verteilen und hierbei auch diese Fläche von jeglichem Schmutz zu befreien. Die vorverdichtete Luft sickert entlang der Lagerfläche aus und entweicht einerseits in die Auslaßleitung des Auspuffs* und andererseits in die Dämpfkammer 65 und von dort durch die Bohrung 69 in die Atmosphäre* gelegentlich gelangt sie auch zurück in das Einlaßsystem des Motors stromaufwärts des Verdichters 24.

Im Betrieb erfaßt das Betätigungsorgan des Ventils« im Falle des dargestellten Ausführungsbeispieles« die Membran 61 und die Platte 65, fortwährend den Druck in der Abgasleitung 35 über die Leitung 68. Mit zunehmender Motorgesohwindigkeit und zunehmender Belastung des Motors 3telgt der Druck des Abgases in Kammer 62. Der Druck des Abgases erreicht bei einer bestimmten Motorbelastung und einer entsprechenden Motordrehzahl einen Wert» bei dem die Rollmembran 61 in derjenigen Richtung bewegt wird, in der das Ventil 5 Öffnet. Der Abgasdruck in der Kammer 62 übt sodann eine Kraft auf die Membran 61 und auf den Ventilstößel 53 aus. Diese Kraft wirkt der von der Feder 66 aufgebrachten Vorspannung entgegen und übersteigt diese sowie die Gegenkraft, die ausgeübt wird, von dem Abgasdruck, der auf dem Ventilteller 51 bei geschlossenem Ventil lastet. Der Flächeninhalt der jeweiligen Flächen von Membran 61

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und Ventilteller 51 und das Maß der Vorspannung von Feder 66 bestimmen den Druck« bei dem das Ventil 5 öffnet. Das Offnen von Ventil 5 läßt eine gewisse Gasmenge durch den Bypass-Kanal 34 ausströmen« so daß die Menge des zur Turbine 31 strömenden Gases vermindert wird. Die Regelung des Aufladens des Motors oberhalb eines vorbestimmten Wertes des Abgasdruckes in Abhängigkeit von der gesteigerten Motordrehzahl wird dadurch verwirklicht« daß man den Durchsatz durch die Turbine Jl mittels des Bypass-Kanales 34 in dem Abgassystem anzapftjsomit ist Verdichter 24 nicht in der Lage« den Einlaßdruck bei hohen Motordrehzahlen aufrechtzuerhalten. Eine Steigerung der Motorgesohwindigkeit wird von einer Steigerung des Durchsatzes de3 Abgases begleitet. Ventil 5 und insbesondere dessen Feder 66 in Gehäuse 60 ist derart gestaltet« daß das Ventil im gesamten oberen Drehzahlbereich des Motors fortlaufend öffnet« um eine vollständig offene Stellung nur dann einzunehmen« wenn der Durchsatz des Abgases seinen Höchstwert erreicht hat. Da die Feder 66 einen größeren Widerstand bietet« je mehr diese zusammengedrückt ist« ist während des öffnens ein zunehmend höherer Druck in Kammer 62 erforderlich« um Ventil 5 zu öffnen. Auf diese Weise steigt der Druck des Abgases oberhalb der Turbine 31. Für den Fall eines geöffneten Ventils reicht dieser Druckanstieg nicht aus« um der Turbine 31 und damit dem Verdichter 24 diejenige zusätzliche Kraftmenge zuzuführen« welche erforderlich ist« um den Einlaßdruck konstant* zuhalten« wenn die Motordrehzahl ansteigt. Dementsprechend findet eine Verminderung des Einlaßdruckes statt. Diese Verminderung kann durch Veränderung der Federkonstante von Feder 66 eingestellt werden.

Durch die Anordnung« die eine Dämpfkraft der Kammer 63 verwendet« wird jegliche Tendenz des Ventils zum Flattern ausgeschaltet. Sin solches Flattern findet normalerweise dann statt« wenn ein Ventilteller vom Ventilsitz abhebt und Druokstößen des Abgases ausgesetzt ist· Die/Kammer 63 eingeschlossene Luft kann nicht sohneil genug durch Bohrung 69 entweichen. Dies bedeutet« daß sehr schnelle Bewegungen von Membran 69 sofortige Druokänderungen in Kammer 63 hervorrufen, was einer Flatterbewegung der Membran 61 und somit

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des Ventilstößels 52 entgegenwirkt. Andererseits werden relativ geringe Bewegungen, die von Ventilstößel 52 in Abhängigkeit von einem Anstieg oder einem Abfall des Druokes des Abgases abhängen, in Außenkammer 62 nicht beeinflußt.

Die Zufuhr verdiohteterLuft aus dem Einlaßsystem 2 des Motors zur Lagerfläche zwischen der Ventilbuchse 71 und dem Ventilstößel 52 dient ferner dazu, das Eindringen von Abgasen an die genannte Lagerfläche und von dort in die Kammer 65 zu verhindern. Insbesondere sollte Membran 6l gegenübermäßig hohe Temperaturen abgeschirmt werden. Die Lebensdauer der Lagerfläche zwischen der Ventilbuchse und dem Ventilstößel wird ferner dadurch gesteigert, daß geringe Temperaturen im Lager aufrechterhalten werden und Verunreinigungen in Form von Ruß- und sonstigen Partikeln aus dem Abgas vermieden werden. Luft aus dem Einlaßsystem 2 des Motors stromabwärts des Verdiohters 24 hat einen höheren Druck als der Druck im Abgassystem 2· Die dem Lagergehäuse 70 zügeführte, verdichtete Luft kann entlang der Lagerfläche zwischen der Lagerbuchse 71 und dem Ventilstößel 52 und sodann in das Abgassystem 2 und in die Kammer 62 geführt werden. Praktische Versuohe, die mit dem zuvor beschriebenen System ausgeführt wurden, haben ergeben, daß allen erwähnten Bedingungen Qenüge geleistet wird. Zum Aufladen des Motors mit einem Verdichter ist eine Turbine von wesentlich geringerer Qröße erforderlich, als man normalerweise bei einem Lademotor vergleichbarer Größe verwendet. Daraus folgt, daß der genannte Motor bei einer Motorgesohwindigkeit, die einem normalen konstanten Fahren eines Fahrzeuges auf einer Autobahn entspricht, in der Lage ist, bei Voll-Last ein Drehmoment zu entwickeln, das annähernd 45 £ größer ist als Jenes, das mit demselben Motor entwickelt werden könnte unter denselben Fahrbedingungen ohne einen Lader. Die zusätzliche Motorleistung bis zu der genannten Drehzahl folgt einer im wesentlichen geraden Linie, abhängig von der Motordrehzahl.

Bei steigender Motordrehzahl wird ein hoher Prozentsatz des Abgases durch den Bypass-Kanal 24 abgezapft, so daß der Einlaßdruck abgesenkt wird, worauf das Moment zunehmend vermindert und die zusätzliche Leistung des Motors kleiner und kleiner wird, um schließlich

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die maximal abgegebene Motorleistung auf einen Wert zu begrenzen« der nur um 20 % über jenem liegt« den der Motor ohne Aufladung erbringen kann. Drehmoment und durch den Auflader entwickelte zusätzliche Leistung steigern somit in anderen Worten die Betriebsbedingungen bei einem normal betriebenen Fahrzeug» insbesondere bei Geschwindigkeiten unterhalb 110 km/Std.

Heidenheim, den 17.12.76
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Leersei re

Claims (12)

Kennwort: "Ladeluftmotor" 26 57794 Patentansprüche

1. Verbrennungskraftinotor, insbesondere Otto-Motor, bei welchem im Einlaßsystem ein Verdichter zwecks Aufladens vorgesehen ist, der von einer im Abgassystem angeordneten Turbine angetrieben ist, mit einem Bypass-Kanal, der die Turbine zur Auslaßleitung des Abgassystemes umgeht, und mit einem Ventil, das die durch den Bypass-Kanal und durch die Turbine hindurchgeführte Abgasmenge regelt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (5) mit einem Abgas-Drucktransmitter zusammenarbeitet, daß der Abgas-Drucktransmitter zusammengeschaltet ist mit in dem Ventil angeordneten Betätigungsmitteln, und daß die Betätigungsmittel derart gestaltet und angeordnet sind, daß sie das Ventil (5) in Abhängigkeit von dem Abgasdruck betätigen, so daß der Durchsatz jeweils durch die Turbine und durch den Bypass-Kanal geregelt werden, wenn der Abgasdruck einen vorbestimmten Wert überschreitet, so daß die Drehzahl der Turbine und damit diejenige des Verdichters auf Werte beschränkt ist, welche wenigstens innerhalb eines oberen Drehzahlbereiches des Motors, den Druck im Einlaßsystem des Motors veranlassen, mit zunehmender Motordrehzahl abzufallen.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgas-Druckfcransmitter den Druck des Abgases in einer Abgasleitung oberhalb der Turbine erfaßt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsorgan eine Membran aufweist, die eine Kammer in einem Ventilgehäuse abgrenzt, daß diese Membran an einem Ventilstößel befestigt ist, und derart gestaltet und angeordnet ist, daß sie im Betrieb infolge des Abgasdruckes Axial· bewegungen ausführt, um die Ventilfunktion zwecks öffnens und Schlleßens des Bypass-Kanales zu regeln.

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4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis j5, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Abgas-Drucktransmitter eine Verbindungsleitung zwisehen der Abgasleitung und der genannten Kammer in dem Ventilgehäuse aufweist, wobei der in der Kammer herrschende Gasdruck die Membran derart betätigt, daß das Ventil geöffnet wird.

5« Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse mit einer Ventilführungsbuchse verbunden ist, die an eine Abgasleitung angeschlossen ist, und daß der Ventilstößel in der genannten Ventilführungsbuchse axial verschiebbar gelagert ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbuchse zwecks Kühlung derart gestaltet ist, daß ihr vorverdichtete Luft aus dem Einlaßsystem des Motors zugeführt werden kann, und daß eine Bohrung in der Führungsbuchse vorgesehen ist, durch welche vorverdichtete Luft der Lagerfläche zwischen dem Ventilstößel und der Führungsbuchse eingeführt werden kann.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerfläche an einem Ende mit der Abgasleitung in Verbindung steht, und an dem anderen Ende in eine Kammer einmündet, die in dem Ventil zwischen einem Gehäuse für die Ventilführungsbuchse und der Membran gebildet ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kammer über eine Bohrung mit der Atmosphäre oder mit dem Einlaßsystem des Motors stromaufwärts des Verdichters in Verbindung steht, und daß die genannte Bohrung derart bemessen ist, daß die in der Kammer enthaltene Luft eine Dämpfung auf die Membranbewegung und auf die Bewegung des Ventilstößels ausüben kann.

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9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein Tellerventil ist, und daß bei Betrieb Öffnungsbewegungen des Ventils im wesentlichen gegen die Strömungsrichtung des Abgases gerichtet sind.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine des Aufladers von kleineren Dimensionen ist, als für einen Lademotor vergleichbarer Größe üblich sind, und daß der Motor demzufolge bei Voll-Last ein maximales Drehmoment innerhalb des mittleren Drehzahlbereiches des Motors entwickeln kann, wobei das Drehmoment höher als J50 % über Jenem Wert liegt, den derselbe Motor bei Voll-Last, aber ohne Aufladung zu entwickeln vermag.

11* Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb das Drehmoment nach Erreichen derjenigen Motorgeschwindigkeit, die einem maximalen Moment entspricht, aufgrund einer Verringerung des Einlaßdruckes vermindert wird.

12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßdruck derart gestaltet wird, daß er zwischen Motordrehzahlen entsprechend dem maximalen Drehmoment und der maximalen Leistung des genannten Motors abgesenkt wird, so daß ein Spielraum entsteht, der 1 bis jj Oktaneinheiten oberhalb demjenigen Wert liegt, bei welchem die Gefahr der Selbstzündung des Kraftstoffgemisches stattfindet, wobei dieser Spielraum praktisch konstant ist.

13* Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abfall des Einlaßdruckes innerhalb der genannten Grenzen bei Voll-Last der Maschine größer als 10 $ ist.

Heidenhelm, den 17«12.76
DrW/Srö

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