DE2914691A1

DE2914691A1 - Verfahren zur foerderung und steuerung des bypassluftstromes bei aufgeladenen verbrennungskraftmaschinen und verbrennungskraftmaschine zur ausfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2914691A1
Application number: DE19792914691
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr Jenny; Bruno Dipl Ing Zumstein
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1979-03-14
Filing date: 1979-04-11
Publication date: 1980-09-18
Also published as: GB2044353B; JPS55125319A; US4559784A; IT8020488A0; DK102180A; IT1130954B; CH638869A5; GB2044353A; FR2451459A1

Description

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Verfahren zur Förderung und Steuerung des Bypassluftstromes bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen und Verbrennungskraftmaschine zur Ausführung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Förderung und Steuerung des Bypassluftstromes bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie eine Verbrennungskraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6 zur Durchführung des Verfahrens.

Bypasseinrichtungen werden bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen hauptsächlich im Zusammenhang mit Turboladern verwendet und dienen zur Verbesserung des Teillastverhaltens aufgeladener Verbrennungskraftmaschinen mit höherem Ladedruckverhältnis, überwiegend aber bei durch Turbolader
aufgeladenen Viertaktdieselmotoren. Die Bypasseinrichtung
besteht dabei aus einer Bypassleitung, die die Ladeluftleitung hinter dem Verdichter mit einer Stelle der Auspuffleitung des Motors vor der Turbine verbindet, und einer in der Bypassleitung untergebrachten Ventileinrichtung zur Steuerung und Regelung der hinter dem Verdichter aus der Ladeluftleitung vor die Turbine überströmenden Luftmenge. Durch Aende-

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rung der überströmenden Luftmenge wird das Schluckvermögen des Motors dem Verdienterkennfeid angepasst, wodurch man bei Teillast auch noch einen höheren Ladedruck erhält. Bei Volllast ist der Bypass geschlossen. Zwischen dem Leistungsbereich des Saugmotors und dem Vollastpunkt wird das Bypassventil umso mehr geöffnet, je kleiner der Abstand der Schlucklinie zur Pumpgrenze oder das Luft/Brennstoff-Verhältnis werden. Zur Steuerung des Bypassventils benutzt man üblicherweise die Drücke vor und nach der Bypassleitung, die Motordrehzahl und die Temperatur vor der Turbine.

Für den PaIl₃ dass das Druckgefälle über die Bypassleitung zu klein wird, können Wärmetauscher, vor der Turbine angeordnete Hilfsbrennkammern, oder auch Mittel zur Zufuhr von Druckluft vorgesehen sein. Bekannt ist ferner die Ausnutzung der Pulsationsenergie der Auspuffgase zur Förderung des Bypassluftstromes.

Motoren mit diesen bekannten Zusatzeinrichtungen weisen im allgemeinen ein zufriedenstellendes Beschleunigungs- und Teillastverhalten auf, sie sind aber mit einem grossen konstruktiven Aufwand verbunden.

Mit der vorliegenden, in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 6 definierten Erfindung sollen diese Nachteile von Verbrennungskraftmaschinen mit bekannten Bypasseinrichtungen vermieden werden. Insbesondere soll sie die oben erwähnten Zusatzeinrichtungen, wie Hilfsbrennkammer u.dgl., welche die Einrichtung komplizieren, überflüssig machen.

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Sie stellt sich die Aufgabe, durch Ausnützung der vom Ladungswechsel des Motors erzeugten Pulsationsenergie, d.h., der ansaugseitigen Druchschwankungen in der Ladeluft und der auspuffseitigen Druckschwankungen im Abgassystem, eine so grosse Druckdifferenz über der Bypassleitung zu. erzeugen, dass bei Teillast eine grosse Luftmenge durch den Bypass überströmen kann, und zwar auch, wenn der mittlere Druck vor der Bypassleitung kleiner ist als der mittlere Druck nach derselben. Aus dieser Eigenschaft resultiert eine Verbesserung des Beschleunigungsverhaltens des Motors, vorzugsweise in dem Teillastbereich,in dem der grösste Luftmangel zu erwarten ist, sowie eine Erhöhung des Ladeluftdruckes ·

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden beispielsweise anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher beschrieben. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 einen erfindungsgemässen Sechs Zylinderverbrennungsmotor mit ladeluftseitig vorgesehenen Mitteln zur Erzeugung periodischer Druckdifferenzen zur Förderung der Bypassluft,

Fig. 2 einen Verbrennungsmotor mit den Mitteln gemäss Fig. und zusätzlichen auspuffseitigen Injektoren,

Fig. 3 einen Motor mit auspuffseitig vorgesehenen Mitteln zur Erzeugung periodischer Druckdifferenzen,

Fig. 4 das Prinzip eines erfindungsgemässen Motors, bei dem

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die periodischen Druckdifferenzen auspuffseitig durch einen Injektor und einen Diflusor erzeugt werden,

Fig. 5 das Prinzip eines Motors gemäss Fig. 4 zusätzlich mit einem Schwingrohr,

Fig. β eine Ausführung gemäss dem Prinzip des in Hg. 4 dargestellten Motors,

Fig. 7 einen Sechs zylindermotor mit auspuff seitig vorgesehenen Injektoren, Diffusoren und Schwingrohren nach Pig· 53 und

Fig. 8 die Kombination eines als Rückschlagventil dienenden Turmventils mit einem Injektor, wie sie bei einigen Ausführungen des Bypasses verwendet werden kann.

Soweit es sich in den verschiedenen Figuren um gleiche EIemente handelt, sind ihnen auch gleiche Bezugszahlen zugeordnet.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung bezeichnet 1 einen Sechszylindermotor, dessen Auspuffgase durch Auspuffrohre 2 in einen Auspuffsammler 3 und weiter durch eine Abgasleitung 4 in die Turbine 5 eines Turboladers geleitet werden, die durch die Turboladerwelle 6 den Verdichter 7 antreibt. Die von diesem verdichtete Ladeluft gelangt über eine Ladeluftleitung 8 und einen Ladeluftkühler 9 in einen als Dämpfungsvolumen dienenden Luftaufnehmer 10 und aus diesem über zwei Schwingrohre 11 in zwei den Schwingrohren 11 zugeordnete Einlassammler 12, von denen je drei Zylinder des Motors ihre

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Ladeluft erhalten. Diese Einlassammler haben die Funktion eines Resonanzvolumens, dessen Zweck ebenso wie jener der Schwingrohre unten näher erklärt wird. In dem aus einem Schwingrohr 11 und einem Einlassammler 12 bestehenden Systern werden durch den periodischen Ansaugvorgang der Motorzylinder in den Ansaugrohren 13 zwischen Einlassammler und Motorzylindern periodische Druckschwankungen erzeugt, die sich vom Einlassammler 12 in das Schwingrohr 11 fortpflanzen. Die Länge des Schwingrohres 11 und der Bypassleitung 14 und das Volumen des EinlasSammlers 12 und des Luftaufnehmers müssen so ausgelegt werden, dass die Eigenfrequenz der in ihr befindlichen Luftsäule mit der erregenden Pulsationsfrequenz des Ansaugens in dem Drehzahlbereich übereinstimmt, in dem der maximale Bypassstrom gewünscht wird. In diesem Drehzahlbereich tritt also Resonanz auf, so dass die Druckunterschiede über die Bypassleitung 14 und damit der Bypassluftstrom ihren Maximalwert erreichen. In der Bypassleitung 14 befinden sich die zur Steuerung und Regelung des Bypassstromes erforderliche Bypassventileinrichtung 15 bekannter Bauart und ein Rückschlagventil 16, das ein Rückströmen verhindert. Als Rückschlagventil kann z.B. auch eine Bordamündung oder ein sonstiges gleichrichtendes Element vorgesehen sein, dessen Durchfluss in der Rückströmrichtung Null oder stark erschwert ist. Dieses gleichrichtende Element sorgt dafür, dass,über die Zeit gemittelt, die Luft nur in der gewünschten Richtung aus dem Einlassammler 12 in den Auspuffsammler 3 fliessen kann. Als Führungs- oder Steuergrösse für die Betätigung des Bypassventils 15 kommen die Drücke vor und/oder nach der Bypassleitung, die Motor- oder die Turboladerdrehzahl und die Temperatur vor der Turbine in Frage.

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Um die Energfe des Bypassluftstromes durch Abkühlen nicht zu vermindern, ist es vorteilhaft, den bzw. die Ladeluftkühler zwischen dem Einlassammler und den einzelnen Zylindern bzw. Zylindergruppen vorzusehen.

Beim Motor nach Pig. 1 kann der Druck im Auspuffsammler 3 wegen seines grossen Volumens als konstant angesehen werden. Die Druckdifferenz über dem Bypass hängt daher lediglich vom Ueberschuss des jeweiligen Druckes im Einlasssammler 12 über dem konstanten Druck im Auspuffsammler 3 ab.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Motor werden neben den einlasseitigen Druckschwankungen auch auspuffseitige Druckschwankungen zur Erhöhung des Druckunterschiedes über den Bypass ausgenützt. Hierbei ist, um die maximal mögliche Druckdifferenz zu erhalten, zu beachten, dass die Auspuffdruck-

]_5 Schwankungen in Gegenphase zu den jeweiligen Druckschwankungen in den EinlasSammlern stehen, dh., dass immer ein einlasseitiger Druckberg mit einem auslasseitigen Drucktal zusammenfällt.

Bei dem Motor nach Fig. 2 sind die Auspuffrohre je dreier nebeneinanderliegender Zylinder zu AuspuffSammlern 17 und 18 zusammengefasst. Die Bypassleitungen 14 der beiden für jede Zylindergruppe vorgesehenen Bypasseinrichtungen mit den Ventilen 15 und Rückschlagventilen 16 verbinden den jeweiligen Einlassammler 12 mit dem jeweiligen Auspuffsammler 17 bzw. 18. An den Einmündungen der Bypassleitungen in ihre Auspuffsammler sind Injektoren 19 vorgesehen, durch die_}wie oben erwähnt, die Auspuffdruckschwankungen zur Erhöhung der gesamten Druckdifferenz über den Bypass und damit zur Ver-

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stärkung der Förderwirkung im Bypass ausgenutzt werden.

Beim Motor nach Fig. 3 werden auspuffseitig erregte Resonanzschwingungen von Gassäulen in den Schwingrohren 11 zur Verstärkung der Förderwirkung benutzt, zusätzlich verstärkt durch Injektoren 19 in den beiden, je drei Zylindern zugeordneten Auspuffsammlern 17 und 18. Die Bypassleitung 14 zweigt hier vor dem Ladeluftkühler 9 von der Ladeluftleitung 8 ab und mündet in den als Dämpfungsvolumen fungierenden Bypassluftaufnehmer 20. Die von den Injektoren 19 in den Auspuffsammlern 17 und 18 verstärkten AuspuffdruckschwankungSTH die in den Schwingrohren 11 und Bypassansaugsammlern 21 befindlichen Gassäulen in Schwingung und die dabei periodisch auftretenden Unterdrücke gegenüber dem Bypassluftaufnehmer fördern über die Rückschlagventile 16 Bypassluft in die Schwingrohre und Bypassansaugsammler 21 und weiter durch die Auspuffsammler 17 und 18 in die Turbine 5·

Die Schwingrohre 11 und die Bypassansaugsammler 21 sind dabei so auszulegen, dass die Eigenfrequenz der in ihnen befindlichen Gassäule mit der Frequenz der Auspuffgasstösse in dem gewählten Bereich der Teillastdrehzahl übereinstimmt .

Die Rückschlagventile 16 oder die ihnen gleichwertigen gleichrichtenden Elemente können abweichend von Fig. 3 auch zwischen den Bypassansaugsammlern 21 und den Auspuffsammlern bzw. 18 angeordnet werden.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführung wird das Prinzip

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-freier Reflexion von periodischen Druckwellen an einem offenen Ende zur Erregung periodischer Saugwellen angewendet. Am Ende eines kurzen Auspuffrohres 2 ist ein Injektor 19 vorgesehen, an den sich ein Diffusor 22 mit offenem Ende anschliesst. Dieser Diffusor mündet in den Auspuffsammler 3» in dem ein praktisch konstanter Druck herrscht. Im Verbindungsrohr zwischen dem Bypassluftaufnehmer 20 und dem Injektor 19 ist ein Rückschlagventil 16 vorgesehen. Die periodischen Druckschwankungen der Auspuffgase werden einerseits durch die Injektoren 19 und andererseits durch die Reflexion der Druckwellen am offenen Ende des Diffusors 22 verstärkt und bewirken grosse periodische Druckdifferenzen zwischen dem Bypassluftaufnehmer 20 und den Injektoren 19- Die Wirkung der Saugwellen nimmt mit der Länge der Leitung zwischen dem Injektor 19 und dem Diffusor 22 zu.

Falls die sonstigen Mittel für eine genügend starke Förderung der Bypassluft ausreichen, so kann auf die Injektorwirkung verzichtet werden, um die Druckverluste der Abgase möglichst niedrig zu halten.

Anstatt als Injektor 19 kann in diesem Falle der Zusammenfluss des Auspuffrohres und der Bypassleitung so ausgebildet werden, dass im Mischungsbereich die beiden Ströme gleichgerichtet sind, z.B. in Form eines zylindrischen, in die Bypassleitung einmündenden Auspuffrohres,oder aber in Form zweier sich in Strömungsrichtung spitzwinklig vereinigender Leitungen.

Die Variante nach Fig. 5 weist zusätzlich zum Diffusor 22

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ein zwischen einem Bypassluftaufnehmer 20 und dem Injektor 19 angeordnetes Schwingrohr 11 auf, wodurch sich noch eine verstärkte Förderwirkung ergibt. Das Rückschlagventil 16 kann, wie dargestellt, am Bypassluf tauf nehmer 20 oder am c Injektor 19 vorgesehen werden.

Die Fig. 6 stellt einen Sechszylindermotor mit der in Fig. 4 dargestellten Bypasseinrichtung, die Fig. 7 einen solchen nach dem Prinzip der Fig. 5 mit Schwingrohren 11 zwischen Bypassluftaufnehmer 20 und Injektoren 19 dar. Die t_0 Ausführung nach Fig. 7 weist überdies gegenüber jener nach Fig. 5 einen Bypassansaugsammler 21 am auspuffseitigen Schwingrohrende auf. Die Figuren 4 und 5 entsprechen im übrigen den in den Fig. 6 und 7 eingetragenen Schnittverläufen IV-IV bzw. V-V.

Das in Fig. 8 gezeigte Turmventil 23 eignet sich als gleichrichtendes Element, d.h., als Rückschlagventil, besonders für die Ausführungen mit Injektoren nach den Fig. 2, 4 und 5, d.h. also, auch 6 und 7· Es besteht aus einer Reihe hintereinandergeschalteter Plattenventile 24 mit leichtbewegliehen, trägheitsarmen Ventilplatten 25j die in ihrer Gesamtheit die Injektordüse 26 umgeben. Die besonders gute Eignung dieses Ventils resultiert daraus, dass das zwischen der Mündung der Injektordüse, wo der kleinste Druck herrscht, und den Ventilplatten befindliche Volumen sehr klein gehalten werden kann, wodurch die Druckdifferenzen voll zur Wirkung kommen und ein besonders guter Fördereffekt erreicht wird.

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B .e. ζ e^ i c h η u η g s 1 i s t e

r-f	Sechszylindermotor
2	Auspuffrohre
3	Auspuffsammler
4	Abgasleitung
UI	Turbine
6	Turboladerwelle
7	Verdichter
8	Ladeluftleitung
9	Ladeluftkühler
10	Luftaufnehmer
11	Schwingrohre
12	Einlassammler
13	Ansaugrohre
14	Bypassleitung
15	Bypassventileinrichtung
16	Rückschlagventil
17	Auspuffsammler
18	Auspuffsammler
19	Injektoren
20	Bypassluftaufnehmer

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S 23H691

21	Bypassansaugsammler
22	Diffusor
23	Tunnventil
24	Plattenventile
25	Ventilplatten
26	Injektordüse

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Leerseite

Claims

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Patentansprüche

Verfahren zur Förderung und Steuerung des Bypassluftstromes bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen mit Abgasturbolader, wobei im Teillastbereich ein Teil der Ladeluft durch eine Bypasseinrichtung der Abgasturbine zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Ueberströmen der Ladeluft zur Abgasturbine erforderliche Energie zum Teil durch beim Ladungswechsel der Verbrennungskraftmaschine entstehende Pulsationen erzeugt wird, indem diese Pulsationen zur Erregung periodischer Druckdifferenzen ausgenützt werden, die eine verstärkte Förderung der Ladeluft durch den Bypass bewirken.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ■ die periodischen Druckdifferenzen durch die Pulsationen des Ansaugvorganges erzeugt werden, indem in einem frei wählbaren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine die im Ladeluftleitungssystem (8, 10, H₁ 12, 13, 14) vorhandene Luftsäule durch die Ansaugpulsationen in Resonanz mit denselben versetzt wird, wobei der genannte Drehzahlbereich durch Abstimmung von Länge und Volumen der erwähnten Luftsäule wählbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die periodischen Druckdifferenzen durch Injektorwirkung

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und Reflexion der Auspuffgasdruckwellen an einem offenen Ende erzeugt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Druckschwankungen in der Ladeluftleitung periodische Druckdifferenzen durch die Auspuffgasdruckschwankungen erzeugt werden, die gegenüber den Druckschwankungen der Ladeluftleitung in Gegenphase liegen, so dass sich verstärkte resultierende Druckdifferenzen ergeben.
5- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die periodischen Druckdifferenzen durch pulsierende, von den Auspuffstössen herrührende Druckschwankungen erzeugt werden, indem in einem frei wählbaren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine eine in der Bypassleitung vorhandene Gassäule, deren Länge und Volumen auf den gewählten Drehzahlbereich abgestimmt ist, durch die Auspuffstösse in Resonanz mit denselben versetzt wird.
6. Verbrennungskraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Abgasturbolader und einer Bypasseinrichtung mit Ventilmitteln, die dazu dienen, bei Teillast einen Teil der Ladeluft vor die Turbine überströmen zu lassen, gekennzeichnet durch Mittel (3₃ 11,12, 19; 20,21, 22,26), welche die vom Ladungswechsel verursachten Pulsationen zur Erzeugung periodischer Druckdifferenzen ausnützen, die dazu dienen, Ladeluft vor die Turbine des Turboladers zu fördern, sowie durch Ventilmittel (16,23)j die dazu dienen, das Ueberströmen von Ladeluft

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in der Richtung vom Verdichter zur Turbine zu bewirken.
7· Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch S₃ dadurch gekennzeichnet , dass die Mittel zur Erzeugung der periodischen Druckdifferenzen aus Schwingrohren (11), und aus zwischen den Schwingrohren (11) und den Ansaugrohren (13) angeordneten Einlassammlern (12) für die Ladeluft bestehen,deren Eigenfrequenz auf die Frequenz der erregenden Pulsationen durch den Ansaugvorgang bei einer Teillastdrehzahl abgestimmt ist,und dass die Ventilmittel aus Ruckschlagventilen (16) bestehen.
8. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6₃ dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der periodischen Druckdifferenzen aus Schwingrohren (11) und aus zwischen den Schwingrohren (11) und den Ansaugrohren (13) angeordneten Einlassammlern (12) für die Ladeluft bestehen_; deren Eigenfrequenz auf die Frequenz der erregenden Pulsationen durch den Ansaugvorgang bei einer Teillastdrehzahl abgestimmt ist, sowie aus am Eintritt der Bypassleitungen (14) in die Auspuffsammler (17, 18) vorgesehe^nen Injektoren (19) bestehen, und dass die Ventilmittel aus Turmventilen (23) bestehen, die die Injektordüsen (26) umgeben.
9. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der periodischen Druckdifferenzen aus einem Bypassluftaufnehmer (20), aus an letzteren angeschlossenen Schwingrohren (11) und aus zwischen den Schwingrohren (11) und den Injektoren (19) vorgesehenen Bypassansaugsammlern (21) bestehen, deren Eigenfrequenz auf die Frequenz der erregenden Pulsa-

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tionen durch den Auspuffvorgang bei einer Teillastdrehzahl abgestimmt ist, ferner aus in den AuspuffSammlern (17, 18) angeordneten Injektoren (19), und dass die Ventilmittel Rückschlagventile (16) sind, die an der Einmündung der Schwingrohre (11) in den Bypasslüftaufnehmer (20) angeordnet sind.
10. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der periodischen Druckdifferenzen aus in den Auspuffrohren (2) angeordneten Injektoren (19), daran anschliessenden Diffusoren (22) mit einem offenen Ende, das in den Auspuffsammlern (3) liegt, und einem Bypasslüftaufnehmer (20) bestehen, wobei die periodischen Druckdifferenzen durch die von den Injektoren (19) verstärkten Abgasdruck- * Schwankungen und durch die Reflexion der Auspuffgasdruckwellen am offenen Ende der Diffusoren (22) erzeugt werden, und dass als Ventilmittel zwischen dem Bypassluftaufnehmer (20) und den Injektoren (19) angeordnete Rückschlagventile (16) vorgesehen sind.
11. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch ge- - kennzeichnet, dass zwischen dem Bypasslüftaufnehmer (20) und den Injektoren (19) Schwingrohre (11) und Bypassansaugsammler (21) sowie als Ventilmittel Rückschlagventile (16) an der Einmündung der Schwingrohre (11) in den Bypasslüftaufnehmer (20) vorgesehen sind.
12. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Rohrleitung zwischen dem Injektor (19) und dem Diffusor (22) so gross ist, dass bei

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einer Teillastdrehzahl der zeitliche Abstand zweier Auspuffgasdruckwellen wenigstens annähernd viermal so gross ist wie die Wellenlaufzeit einer Druckwelle vom Injektor (19) bis zum Diffusor (22), damit bei der genannten Teillastdrehzahl sich die zurückwandernde Saugwelle eines im Diffusor reflektierten Druckberges einer Auspuffgasdruckwelle mit dem nächstfolgenden Drucktal der Auspuffgasdruckwelle im Injektor trifft.

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