EP0164515B1

EP0164515B1 - Brennkraftmaschine mit Druckwellenmaschine und Abgassammelbehälter

Info

Publication number: EP0164515B1
Application number: EP85104198A
Authority: EP
Inventors: Jakob Dr. Keller
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1984-04-19
Filing date: 1985-04-06
Publication date: 1988-01-20
Also published as: US4763471A; EP0164515A1; DE3561480D1; JPS60237120A

Description

Die Erfindung betrifft eine mittels gasdynamischer Druckwellenmaschine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgassammelbehälter.
Ein solcher Abgassammelbehälter dient einerseits dazu, die Abgasmassenströme, welche von den einzelnen Zylindern eines Motors abgegeben werden, zusammenzufassen. Andererseits schwächt ein Abgasreceiver die vom Motor verursachten Pulsationen ab. Diese Abschwächungswirkung ist von besonderer Bedeutung, wenn ein Motor von einer gasdynamischen Druckwellenmaschine aufgeladen wird. Zu starke Abgaspulsationen können den Aufladungsprozess in der Druckwellenmaschine empfindlich beeinträchtigen, weil sie zu Schwankungen der Wellenlaufzeiten führen. Zur Funktionsweise einer Druckwellenmaschine wird auf die CH-A-378 595 oder auf die Druckschrift CH-T 123 143 der Anmelderin verwiesen.
Nun stellt jedoch die Wahl des Volumens eines Abgasreceivers in jedem Fall einen Kompromiss dar. Einerseits ist ein grosses Volumen vorteilhaft, weil die Abschwächung der Pulsationen mit zunehmendem Volumen stärker wird. Andererseits führt ein grosses Volumen aber zu einem verzögerten Ansprechen des Laders auf Last- und Drehzahländerungen, weil die Zeit für die Spülung des Abgassammelbehälters mit grösser werdendem Volumen zunimmt. Besonders schwierig wird ein solcher Kompromiss bei schwach aufgeladenen Motoren mit kleiner Zylinderzahl. Bei kleiner Zylinderzahl ist die Glättungswirkung auf die Abgaspulsationen durch das Zusammenfassen der von den einzelnen Zylindern abgegebenen Teilmassenströme schwach oder gar nicht vorhanden. Ausserdem ist die Pulsationsfrequenz niedrig und macht ein entsprechend grosses Receivervolumen für eine wirksame Abschwächung erforderlich. Hinzu kommt noch, dass die Wirksamkeit des Abgassammelbehälters mit abnehmender Aufladung schwächer wird. Bei einem schwach aufgeladenen Zweizylinder-Dieselmotor ist man beispielsweise bei dieser Kompromissfindung vor ein fast unlösbares Problem gestellt.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
Ausgehend von der Erkenntnis, dass die von einem Abgassammelbehälter bewirkte Abschwächung von Druckpulsationen nicht in einem direkten Zusammenhang mit der Grösse seines Volumens steht, sondern mit der Federwirkung des Behälterinhaltes, liegt der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, die Aufgabe zugrunde, die Wirksamkeit eines kleinen Abgassammelbehälters insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit niedriger Zylinderzahl und/oder schwachem Aufladegrad zu verbessern.
Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die Verbesserung der Federwirkung mittels mechanischen Federmitteln das Sammelbehältervolumen klein gehalten werden kann.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung in ihrer Anwendung für einen zweizylindrigen Motor schematisch dargestellt.
Es zeigt :

Fig. 1 einen ersten Abgassammelbehälter mit eingebauter Feder,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsvariante.

Alle für das Verständnis der Erfindung unwesentlichen Elemente wie beispielsweise der Verbrennungsmotor, die Druckwellenmaschine sowie zugehörige Leitungen sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Motorabgase ist mit Pfeilen bezeichnet.
Gemäss Fig. 1 besteht der Abgassammelbehälter im wesentlichen aus einer inneren Kammer 1, die vom Gas durchströmt ist und einer äusseren Schallabschirmung 2. Sehr vereinfacht dargestellt sind die Zuströmkanäle 6', 6" von den Zylindern sowie der Abströmkanal 7 zur Druckwellenmaschine. Die mechanischen Federmittel sind hier eine gewellte Federstahlmembran 3', die sich über die ganze aktive Länge des Behälters erstreckt und an dessen Stirnseiten eingespannt ist. Die Einspannung ist gasdicht. Die Membran 3' verläuft zwischen der strömungsbegrenzenden Wand 4 der Kammer 1 und der Schallabschirmung 2 und bildet mit letzterer ein Totvolumen 5. Die Tatsache, dass zwischen der Kammer 1 und der Membran 3' ein weiterer nicht durchströmter Raum besteht, ist im vorliegenden Zusammenhang erfindungsunwesentlich.
Die zugrundeliegende Idee ist nun, das Gesamtvolumen des Sammelbehälters möglichst klein zu halten aufgrund der Massnahme, die Federwirkung des Behälterinhaltes zu vergrössern.
Wird der aus den Kanälen 6', 6" eintretende Massenstrom mit 0₁ und der in den Kanal 7 austretende Massenstrom mit O₂ bezeichnet, so lautet die quasi-stationäre Kontinuitätsgleichung
worin V_R das Behältervolumen und p die Gasdichte im Behälter bedeuten.
Der zweite Term auf der rechten Seite dieser Gleichung wäre auf eine mechanische Federwirkung des Volumens zurückzuführen. Ist die Eigenfrequenz dieser Feder wesentlich grösser als die Pulsationsfrequenz, dann ist
worin k eine dimensionslose « Federkonstante ist •. Für den beispielsweisen Zwei-Zylinder-Motor sollte k mindestens dem zwei- bis vier-fachen Wert von V_HN_R entsprechen, wobei V_H das Hubvolumen des Motors bezeichnet.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Variante, bei welcher die gleichen Elemente dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 tragen, werden die strömungsbegrenzenden Wände 4 durch die federnden Mittel selbst gebildet. Es handelt sich hierbei um Federstahlbleche 3", welche an der Eintrittsseite des Sammelbehälters eingespannt sind. Austrittsseitig streifen die Blechenden mit geringem Spiel an der stirnseitigen Behälterbegrenzung vorbei, die hierzu entsprechend gekrümmt ist. Spielbedingte Leckagen, die um das Federblech herum in das Totvolumen 5 strömen, verursachen aufgrund der relativ hohen Pulsationsfrequenz nur unwesentliche Störungen.

Claims

1. Mittels gasdynamischer Druckwellenmaschine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgassammelbehälter, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Federwirkung des Behältervolumens mechanische Federmittel (3', 3") angeordnet sind, welche das Behälterinnere in eine durchströmte Kammer (1) und in ein Totvolumen (5) unterteilen.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmittel aus einer gewellten Federstahlmembran (3') gebildet sind, die sich im wesentlichen über die ganze Länge des Abgassammelbehälters erstreckt und an deren Stirnflächen vorzugsweise gasdicht befestigt ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmittel aus Federstahlblechen (3") gebildet sind, welche einseitig, vorzugsweise eintrittsseitig, am Sammelbehälter eingespannt sind und an ihrem anderen Ende an der Behälterbegrenzung vorbeistreifen.