CH638869A5

CH638869A5 - Verfahren zur foerderung und steuerung des bypassluftstromes bei aufgeladenen verbrennungskraftmaschinen und verbrennungskraftmaschine zur ausfuehrung des verfahrens.

Info

Publication number: CH638869A5
Application number: CH239979A
Authority: CH
Inventors: Ernst Dr Jenny; Bruno Zumstein
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1979-03-14
Filing date: 1979-03-14
Publication date: 1983-10-14
Also published as: GB2044353A; JPS55125319A; FR2451459A1; IT1130954B; GB2044353B; IT8020488A0; DK102180A; DE2914691A1; US4559784A

Description

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 Ventileinrichtungzur Steuerung und Regelung der hinter dem Verdichter aus der Ladeluftleitung vor die Turbine überströmenden Luftmenge. Durch Änderung der überströmenden Luftmenge wird das Schluckvermögen des Motors dem Verdichterkennfeld angepasst, wodurch man bei Teillast auch noch einen höheren Ladedruck erhält. Bei Vollast ist der Bypass geschlossen. Zwischen dem Leistungsbereich, in dem der Motor als Saugmotor arbeitet, und dem Vollastpunkt wird das Bvpassventil umso mehr geöffnet, je kleiner der Abstand der Schlucklinie zur Pumpgrenze oder das Luft/Brennstoff-Verhält5

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nis 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 Fall, dass das Druckgefälle über die Bypassleitung zu klein wird, können Wärmetauscher, vor derTurbine angeordnete Hiifsbrennkammern, oder auch Mittel zur Zufuhr von Druckluft vorgesehen sein. Bekannt ist ferner die Ausnutzung der Pulsationsenergie der Auspuffgase zur Förderung des Bypass-luftstromes.

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 Bypasseinrich-tungen vermieden werden. Insbesondere soll sie die oben erwähnten Zusatzeinrichtungen, wie Hilfsbrennkammer u. dgl., welche die Einrichtung komplizieren, überflüssig machen.

Sie stellt sich die Aufgabe, durch Ausnützung der vom Ladungswechsel des Motors erzeugten Pulsationsenergie, d.h., der ansaugseitigen Druckschwankungen in der Ladeluft und der auspuffseitigen Druckschwankungen im Abgassystem, eine so grosse Druckdifferenz über der Bypassleitung zu erzeugen, dass in einem bevorzugten Drehzahlbereich, der in der Regel dem überwiegend gefahrenen Betriebsbereich entspricht, 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 Beschieunigungsverhaltens des Motors, vorzugsweise in dem Drehzahlbereich, in dem dergrösste 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 Sechszylinderverbrennungsmotor mit ladeluftseitig vorgesehenen Mitteln zur Erzeugung periodischer Druckdifferenzen zur Förderung der Bypassluft, Fig. 2 einen Verbrennungsmotor mit den Mitteln gemäss Fig. 1 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 die periodischen Druckdifferenzen auspuffseitig durch einen Injektor und einen Diffusor erzeugt werden,

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

Fig. 6 eine Ausführung gemäss dem Prinzip des in Fig. 4 dargestellten Motors,

Fig. 7 einen Sechszylindermotor mit auspuffseitig vorgesehenen Injektoren, Diffusoren und Schwingrohren nach Fig. 5, und

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

Soweit es sich in den verschiedenen Figuren um gleiche Elemente 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 Einlasssammler 12. von denen je drei Zylinder des Motors ihre Ladeluft erhalten.

Diese Einlasssammler haben die Funktion eines Resonanzvolumens, dessen Zweck ebenso wie jener der Schwingrohre unten näher erklärt wird. In dem aus einem Schwingrohr 11 und einem Einlasssammler 12 bestehenden System werden durch den periodischen Ansaugvorgang der Motorzylinder in den Ansaugrohren 13 zwischen Einlasssammler und Motorzylindern periodische Druckschwankungen erzeugt, die sich vom Einlasssammler 12 in das Schwingrohr 11 fortpflanzen. Die Länge des Schwingrohres 11 und der Bypassleitung 14 und das Volumen des Einlasssammlers 12 und des Luftaufnehmers 10 müssen so ausgelegt werden, dass die Eigenfrequenz der in ihr befindlichen Luftsäule mit der erregenden Pulsationsfrequenz des Ansaugens in dem Teillastdrehzahlbereich übereinstimmt, in dem der maximale Bypass-strom 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 Bypassven-tileinrichtung 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 Einlasssammler 12 in den Auspuffsammler 3 fliessen kann. Als Führungs- oder Steuergrös-se 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. Um die Energie des Bypassluftstromes durch Abkühlen nicht zu vermindern, ist es vorteilhaft, den bzw. die Ladeluftkühler zwischen dem Einlasssammler und den einzelnen Zylindern bzw. Zylindergruppen vorzusehen.

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

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Motor werden neben den einlassseitigen 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 Auspuffdruckschwankungen in Gegenphase zu den jeweiligen Druckschwankungen in den Einlasssammlern stehen, d.h., dass immerein einlassseitiger Druckberg mit einem auslassseitigen 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 Einlasssammler 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 Verstärkung 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 14zweigt 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 Auspuffdruckschwankungen versetzen die in den Schwingrohren 11 und Bypassansaugsammlern 21

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befindlichen Gassäulen in Schwingung und die dabei periodisch auftretenden Unterdrücke gegenüber dem Bypassluftaufnehmer fördern über die Rückschlagventile 16 Bypassluft in die Schwingrohre und Bypassansaugsammler21 und weiter durch die Auspuffsammler 17 und 18 in die Turbine 5.

Die Schwingrohre 11 und die Bypassansaugsammler2i 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 17 bzw. 18 angeordnet werden.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführung wird das Prinzip der 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 Duffusors 22 verstärkt und bewirken grosse periodische Druckdifferenzen zwischen dem Bypassluftaufnehmer 20 und den Injektoren 19. Die Wirkung der Saugwellen nimmtmitder 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 derZusammen-fluss des Auspuffrohres und der Bypassleitung so ausgebildet werden, dass im Mischungsbereich die beiden Ströme gleichgerichtet sind. z. B. im Form eines zylindrischen, indie Bypasslei-5 tung einmündenden Auspuffrohres, oder aber in Form zweier sich in Strömungsrichtung spitzwinklig vereinigender Leitungen.

Die Variante nach Fig. 5 weist zusätzlich zum Diffusor 22 ein zwischen einem Bypassluftaufnehmer 20 und dem Injektor 19 angeordneten Schwingrohr 11 auf, wodurch sich noch eine 10 zusätzlich verstärkte Förderwirkung ergibt. Das Rückschlagventil 16 kann, wie dargestellt, am Bypassluftaufnehmer 20 oder am Injektor 19 vorgesehen werden.

Die Fig. 6 stellt einen Sechszylindermotor mit der in Fig. 4 15 dargestellten Bypasseinrichtung, die Fig. 7 einen solchen nach dem Prinzip der Fig. 5 mit Schwingrohren 11 zwischen Bypassluftaufnehmer 20 und Injektoren 19 dar. Die Ausführung nach Fig. 7 weist überdies gegenüber jener nach Fig. 5 eine Bypassan-saugsammler21 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 leichtbeweglichen, trägheitsarmen Ventilplatten 25, 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 30 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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4 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Förderung und Steuerung des Bypassluftstro-mes bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen mit Abgasturbolader. wobei im Teillastbereich ein Teil der Ladeluft durch eine Bypasseinrichtung der Abgasturbine zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Überströmen der Ladeluft zur Abgasturbine erforderliche Energie zum Teil durch beim Ladungswechsel der Verbrennungskraftmaschine entstehende Pulsationen erzeugt wird, indem diese Pulsation 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 Drehzahlbereich die im Ladeluftleitungssystem (8,10,11,12,13,14) vorhandene Luftsäule durch die Ansaugpulsationen in Resonanz mit denselben versetzt wird, wobei der genannte Drehzahlbereich durch Länge und Volumen der erwähnten Luftsäule bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die periodischen Druckdifferenzen durch Injektorwirkung und Reflexion der Auspuffgasdruckwellen am offenen Ende eines Diffusore 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 Drehzahlbereich eine in der Bypassleitung vorhandene Gassäule, deren Länge und Volumen auf den 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 (3,11,12,19; 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), die dazu dienen, das Überströmen von Ladeluft in der Richtung vom Verdichter zurTurbine zu bewirken.
7. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der periodischen Druckdifferenzen aus Schwingrohren (11), und aus zwischen den Schwingrohren (11) und Ansaugrohren (13) angeordneten Einlasssammlern (12) für die Ladeluft bestehen, deren Eigenfrequenz auf die Frequenz der erregenden Pulsationen durch den Ansaugvorgang bei einerTeillastdrehzahl abgestimmt ist, und dass die Ventilmittel aus Rückschlagventilen (16) bestehen.
S. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der periodischen Druckdifferenzen aus Schwingrohren (11) und aus zwischen den Schwingrohren (11) und Ansaugrohren (13) angeordneten Einlasssammlern ( 12) für die Ladeluft bestehen, deren Eigenfrequenz auf die Frequenz der erregenden Pulsationen durch den Ansaugvorgang bei einerTeillastdrehzahl abgestimmt ist, sowie aus am Eintritt der Bypassleitungen ( 14) in Auspuffsammlern ( 17. IS) vorgesehenen Jnjektoren (19) bestehen, und dass die Ventilmittei aus Turmventilen (23) bestehen, die die Injektordüsen (26) umsehen.
9. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung des periodischen Druckdifferenzen aus einem Bypassluftaufnehmer (20). aus an letzteren angeschlossenen Schwingrohren (11) und aus zwischen den Schwingrohren (11) und Injektoren ( 19) vorgesehenen By-passansaugsammlern (21 ) bestehen, deren Eigenfrequenz auf die Frequenz der erregenden Pulsationen durch den Auspuffvorgang bei einerTeillastdrehzahl abgestimmt ist, ferner aus in den Auspuffsammlern ( 17,18), in welchen die Injektoren ( 19) angeordnet sind, und dass die Ventilmittel Rückschlagventile (16) sind, die an der Einmündung der Schwingrohre ( 11 ) in den Bypassluftaufnehmer (20) angeordnet sind.
10. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der periodischen Druckdifferenzen aus in Auspuffrohren (2) angeordneten Injektoren ( 19), daran anschliessenden Diffusoren (22) mit einem offenen Ende, das in den Auspuffsammlern (3) liegt, und einem Bypassluftaufnehmer (20) bestehen, wobei die periodischen Druckdifferenzen durch die von den Injektoren (19) verstärkten Abgasdruckschwankungen 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 gekennzeichnet, dass zwischen dem Bypassluftaufnehmer (20) und den Injektoren (19) Schwingrohre (11) undBypassansaug-sammler (21) sowie als Ventilmittel Rückschlagventile (16) an der Einmündung der Schwingrohre (11) in den Bypassluftaufnehmer (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 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.