DE102007052310A1 - Internal-combustion engine, particularly externally ignited internal-combustion engine, has multiple cylinders, air suction unit, compressor for promotion of combustion air, and combustion chamber arranged in cylinder - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, mit einem Verdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to an internal combustion engine, in particular a spark-ignited Internal combustion engine, with a compressor according to the Preamble of claim 1.
Beim Betrieb von Brennkraftmaschinen werden üblicherweise Luftsauganlagen verwendet, welche eine Schwing- oder Resonanzrohraufladung oder eine Kombination dieser beiden Aufladungen erzielen. Bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine ergibt sich infolge der Verdichtung der angesaugten Verbrennungsluft eine Anhebung der Lufttemperatur. Der für Saugmotoren begehrte Aufladeeffekt durch Schwingrohraufladung oder Resonanzaufladung ist, insbesondere bei aufgeladenen Ottomotoren, unerwünscht, da durch die gasdynamische Kompression die Ladeluft erwärmt wird und dadurch die Neigung zu klopfender Verbrennung zunimmt.At the Operation of internal combustion engines are usually air suction systems using a vibratory or resonant tube charge or to achieve a combination of these two charges. In a charged Internal combustion engine is due to the compression of the intake combustion air an increase in the air temperature. The coveted for naturally aspirated engines Charging effect by vibration tube charging or resonance charging is undesirable, especially in turbocharged gasoline engines, because the charge air is heated by the gas-dynamic compression and thereby increasing the propensity for knocking combustion.
Zur
Vermeidung einer weiteren Aufladung wird daher bei aufgeladenen
Diesel- und Ottomotoren hinter dem Verdichter ein Ladeluftkühler
zur Kühlung der Ladeluft positioniert. Hierdurch soll,
insbesondere bei aufgeladenen Ottomotoren, die Gefahr eines klopfenden
Motors minimiert werden. Eine weitere Reduzierung der Ladelufttemperatur
ist durch einen vergrößerten Ladeluftkühler
in der Regel aus baulichen Gründen nicht möglich.
Demzufolge werden zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Ladeluftkühlers
stromab von diesem Entspannungseinrichtungen vorgesehen, um eine
Verbrennungslufttemperatur weiter zu reduzieren. Aus der
Aus
der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei der eine optimierte Luftansaugung erzielt werden kann. Diese wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.Of the Invention is therefore based on the object, a supercharged internal combustion engine to provide an optimized air intake are achieved can. This is inventively by a device solved with the features of claim 1.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass die Luftsauganlage derart ausgebildet ist, dass die Luftansaugung in den Brennraum während einer Expansionsphase der Luftmasse in der Luftsauganlage stattfindet. Demnach strömt mindestens ein Teil der Luftmasse in den Brennraum während der Expansionsphase ein. Dabei findet die Ladeluftexpansion teilweise im Plenum, im jeweiligen Saugrohr und/oder innerhalb des Verteilerrohres statt. Erfindungsgemäß ist eine kontinuierliche, aber nicht zwingend gleichmäßige, Expansion zwischen dem Eintritt der Verbrennungsluft in das Verteilerrohr bis zum Einströmen der Verbrennungsluft in den Brennraum, d. h., bis zum Austritt aus dem Saugrohr, erzielbar.The inventive internal combustion engine is characterized characterized in that the air suction system is designed such that the air intake into the combustion chamber during an expansion phase the air mass takes place in the air suction system. Accordingly flows at least part of the air mass into the combustion chamber during the expansion phase. The charge air expansion is partially in plenary, in the respective intake manifold and / or inside the distributor pipe instead of. According to the invention, a continuous, but not necessarily even, expansion between the entry of combustion air into the manifold until it flows the combustion air into the combustion chamber, d. h., until the exit the suction tube, achievable.
Erfindungsgemäß weist die Luftsauganlage eine derartige Verteilerrohrlänge auf, dass die Luftansaugung in den Brennraum der Brennkraftmaschine während einer Expansionsphase der Luftmasse in der Luftsauganlage stattfindet. Vorzugsweise ist die Verteilerrohrlänge so bemessen, dass zum Zeitpunkt der Luftansaugung eine Verringerung des Ladedruckes innerhalb der Luftsauganlage erzielbar ist. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Luftsauganlage, insbesondere der Bemessung der Verteilerrohrlänge, werden Resonanzeffekte bei maximaler Motorleistung vermieden, und zusätzlich ein Luftansaugverfahren ermöglicht, mit dem eine gezielte und auf den Ansaugzeitpunkt abgestimmte Expansion herbeigeführt wird.According to the invention the air suction on such a manifold tube length, that the air intake into the combustion chamber of the internal combustion engine during an expansion phase of the air mass takes place in the Luftsauganlage. Preferably, the manifold tube length is dimensioned such that At the time of air intake, a reduction of the boost pressure can be achieved within the Luftsauganlage. With the invention Design of the air intake, in particular the design of the Manifold tube length, will resonant effects at maximum engine power avoided, and in addition allows an air intake, with which a targeted and tailored to the intake timing expansion brought about becomes.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Luftsauganlage wird ein Verfahren zur Luftansaugung ermöglicht, mit dem zum Zeitpunkt der Luftansaugung die Temperatur der durch den jeweiligen Zylinder angesaugten Luftmasse zwischen dem Plenum und dem Brennraum der Brennkraftmaschine verringert wird. Vorzugsweise erfolgt eine Verringerung der Luftmassentemperatur unterhalb eines Temperaturmittelwertes. Um einen solchen Temperaturmittelwert schwanken die Temperaturwerte der Luftmasse innerhalb der Luftsauganlage. Ein solcher Temperaturmittelwert stellt sich in etwa bei der Verteilerrohrmitte ein.By the inventive design of the air suction A method for air intake is made possible with the at the time of air intake, the temperature of the respective Cylinder sucked air mass between the plenum and the combustion chamber the internal combustion engine is reduced. Preferably, a Reduction of the air mass temperature below a mean temperature value. The temperature values fluctuate around such a mean temperature value the air mass inside the air intake system. Such a mean temperature Adjusts approximately at the manifold center.
Die erfindungsgemäße Luftsauganlage zeichnet sich dadurch aus, dass die Verteilerrohrlänge in Abhängigkeit von einem äquivalenten Verteilerrohrdurchmesser bemessen ist. Hierdurch wird die schwingende Luft in der Luftsauganlage während der kühleren Expansionsphase in den jeweiligen Brennraum angesaugt, so dass eine relativ niedrige Temperatur des Brennstoff/Luft-Gemisches im Brennraum vorliegt.The Air suction system according to the invention is distinguished characterized in that the distributor tube length in dependence of an equivalent manifold diameter is. As a result, the oscillating air in the Luftsauganlage during the cooler expansion phase into the respective combustion chamber sucked so that a relatively low temperature of the fuel / air mixture present in the combustion chamber.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Luftsauganlage wird durch die erzielte Expansion eine effektive Kühlung der Ladeluft innerhalb der Luftsauganlage ohne den Einsatz von zusätzlichen beweglichen Bauteilen bewirkt. Dadurch wird eine kostengünstige und effiziente Luftsauganlage für aufgeladene Brennkraftmaschinen zur Verfügung gestellt, wobei sich die erfindungsgemäße Expansionsluftsauganlage sowohl für aufgeladene Otto- als auch für Dieselmotoren eignet.With the inventive design of the air suction is the effective expansion due to the achieved expansion the charge air inside the air intake without the use of additional moving Causes components. This will be a cost effective and efficient air intake system for supercharged internal combustion engines provided, wherein the inventive Expansion air intake system for both charged Otto and also suitable for diesel engines.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Verteilerrohrlänge in Abhängigkeit von einer Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine bemessen. Somit wird die vorliegende Luftsauganlage bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen optimal eingesetzt und eine gezielte Abstimmung, insbesondere bei Sportfahrzeugen, für höhere Lastpunkte und Drehzahlen ermöglicht.In An embodiment of the invention is the manifold tube length as a function of a rated speed of the internal combustion engine sized. Thus, the present air suction is charged with Engine optimally used and a targeted vote, especially for sports vehicles, for higher load points and speeds possible.
Mit der erfindungsgemäßen Luftsauganlage sinkt die Temperatur der angesaugten Luftmasse im Plenum unter dem Mittelwert während eines Kurbelwinkelbereiches zwischen 90° nach dem oberen Ladungswechsel-Totpunkt und 20° nach dem unteren Ladungswechsel-Totpunkt. Hierdurch können mehr als 20° Temperaturabsenkung erzielt werden. Folglich wird eine deutliche Verschiebung des Zündwinkels nach früh ermöglicht, so dass sich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert. Durch den früheren Zündzeitpunkt sinkt die Abgastemperatur, so dass ein Anfettungsbedarf zum Schutz der Abgasturbine geringer wird. Als eine weitere Folge der Wirkungsgradverbesserung wird für die gleiche Motorleistung weniger Ladeluft und Kraftstoff benötigt, wodurch der gesamte Aufladeprozess der Brennkraftmaschine optimiert wird.With the air suction system according to the invention decreases Temperature of the aspirated air mass in the plenum below the mean value during a crank angle range between 90 ° after the upper charge cycle dead center and 20 ° after the lower charge cycle dead center. This allows more than 20 ° temperature reduction be achieved. Consequently, a significant shift of the ignition angle allows for early, so that the efficiency the internal combustion engine improved. Due to the earlier ignition timing decreases the exhaust gas temperature, leaving a need for enrichment for protection the exhaust gas turbine is lower. As a further consequence of the efficiency improvement will charge less for the same engine power and Fuel is needed, reducing the entire charging process the internal combustion engine is optimized.
Nach einem weiteren Aspekt der der Erfindung erfolgt die Ausbildung der Verteilerrohrlänge in Abhängigkeit von dem äquivalenten Verteilerrohrdurchmesser derart, dass ein Verhältnis von äquivalentem Verteilerrohrdurchmesser zu Verteilerrohrlänge von 0,05 bis 0,14 vorliegt. Dabei sollte die Saugrohrlänge nicht mehr als 200 mm oder 150 mm, insbesondere bei einer Nenndrehzahl zwischen 5500 und 7000 Umdrehungen pro Minute, bemessen sein. Vorzugesweise beträgt dabei das Verhältnis von äquivalentem Verteilerrohrdurchmesser zu Verteilerrohrlänge 0,066, 0,114 oder 0,136. Hierdurch kommt innerhalb der Luftsauganlage eine optimierte Expansion der verdichteten Verbrennungsluft zustande, so dass die Verbrennungsluft aus der Luftsauganlage mit einer deutlich niedrigeren Temperatur in den Einlasskanal im Zylinderkopf einströmt.To Another aspect of the invention, the formation of the Manifold tube length depending on the equivalent Distributor tube diameter such that a ratio of equivalent Manifold tube diameter to manifold tube length of 0.05 to 0.14 is present. The suction tube length should not more than 200 mm or 150 mm, especially at rated speed be rated between 5500 and 7000 revolutions per minute. Vorzugesweise is the ratio of equivalent Manifold tube diameter to manifold tube length 0.066, 0.114 or 0.136. This results in an optimized within the air suction Expansion of the compressed combustion air, so that the Combustion air from the air intake with a much lower Temperature in the inlet channel flows in the cylinder head.
Durch die neuartige geometrische Bestimmung des Verteilerrohrs der Luftsauganlage liegt im Vergleich zu den üblichen Sauganlagen ein Verteilerrohr mit einem kleinen Durchmesser vor, so dass der bauliche Aufwand im Motorraum optimiert wird. Die erfindungsgemäße Luftsauganlage kehrt durch die erfindungsgemäße Bemessung den bekannten Resonanzaufladeeffekt, insbesondere bei hohen Motordrehzahlen, komplett um. Anstelle einer Kompression wird eine Expansion der Verbrennungsluft erzielt und diese weiter abgekühlt. Somit liegt eine niedrigere Temperatur des Brennstoff/Luft- Gemisches im Brennraum vor, so dass der Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine leistungsoptimal einstellbar ist.By the novel geometric determination of the distributor tube of the air suction system is compared to the usual suction a manifold with a small diameter in front, so the construction effort is optimized in the engine compartment. The inventive Air suction system returns through the invention Dimensioning the known resonance charging effect, especially at high engine speeds, completely over. Instead of compression will achieved an expansion of the combustion air and this cooled further. Thus, there is a lower temperature of the fuel / air mixture in the combustion chamber before, so that the ignition timing of the internal combustion engine is optimal performance adjustable.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine eine oder zwei Zylinderreihen auf, wobei die Anzahl der Zylinder insgesamt sechs beträgt. Gemäß der Erfindung hat sich bei einer fremdgezündeten 6-Zylinder-Brennkraftmaschine der Boxerbauart gezeigt, dass die vorliegende Luftsauganlage zu einer deutlichen Wirkungsgradverbesserung führt. Dennoch eignet sich die vorliegende Luftsauganlage ebenfalls für Brennkraftmaschinen mit vier Zylindern.In A further embodiment of the invention, the internal combustion engine one or two rows of cylinders, with the number of cylinders a total of six. According to the invention has been in a spark-ignited 6-cylinder internal combustion engine the boxer model showed that the present air intake system too leads to a significant improvement in efficiency. Yet The present air suction system is also suitable for Internal combustion engines with four cylinders.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sieht die vorliegende Erfindung zur weiteren Verbesserung der Zylinderfüllung, insbesondere bei aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, eine zusätzliche Erhöhung des Ladedruckes durch den Verdichter vor, um den verminderten Ladedruckbetrag durch die innerhalb der Luftsauganlage erzielte Expansion auszugleichen. Vorzugsweise wird bei gleicher Motorleistung ein höher Ladedruck um 3 bis 10% als die üblichen Ladedrücke eingestellt. Dabei liegen die üblichen Ladedrücke zwischen 0,9 bar und 1,5 bar.In An embodiment of the invention provides the present invention to further improve the cylinder filling, in particular in supercharged spark-ignition internal combustion engines, a additional increase of the boost pressure by the Compressor in front of the reduced boost pressure through the within the air suction system to compensate for expansion. Preferably is at the same engine power a higher boost pressure 3 to 10% set as the usual boost pressures. The usual charge pressures are in between 0.9 bar and 1.5 bar.
Durch einen höher eingestellten Ladedruck steigt nach dem Verdichter die Verbrennungslufttemperatur an, so dass durch das höher eingestellte Temperaturniveau der Verbrennungsluft im Ladeluftkühler eine größere Wärmemenge abgeführt wird. Gemäß der Erfindung liegt eine höhere Temperaturdifferenz über den Ladeluftkühler um etwa 3 bis 10% als bei üblichen Ladedrücken vor. Dadurch kommt nach dem Ladeluftkühler eine Verbrennungslufttemperatur zustande, die nur geringfügig höher liegt als die mit einer üblichen bzw. konventionellen Aufladung, da die abgeführte Wärmemenge am Ladeluftkühler bis zu 55% höher liegt als bei üblichen Ladedruckverhältnissen. Der hier durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Luftsauganlage zusätzlich erzielte thermische Gewinn führt zu einer niedrigeren Temperatur des Brennstoff/Luft-Gemisches im Brennraum, da sowohl das Druck- als auch das Temperaturniveau im Brennraum zum Einlassventilschließzeitpunkt zwischen 3 und 4% niedriger liegt als bei üblichen Luftsauganlagen. Folglich kann bei einem Sportfahrzeug mit einem aufgeladenen Motor, insbesondere bei hohen Lastpunkten und Drehzahlen, bei gleicher Motorleistung ein günstiger Kraftstoffverbrauch oder eine höhere Motorleistung beim gleichen Kraftstoffverbrauch erzielt werden.By a higher set boost pressure rises after the compressor the combustion air temperature, so that through the higher Set temperature level of the combustion air in the intercooler a larger amount of heat dissipated becomes. According to the invention is a higher Temperature difference over the intercooler to about 3 to 10% than in conventional charging pressures. This results in a combustion air temperature after the intercooler which is only slightly higher than the with a conventional or conventional charging, as the amount of heat removed from the intercooler Up to 55% higher than normal boost pressure conditions. The here by the use of the invention Air intake additionally achieves thermal gain leads to a lower temperature of the fuel / air mixture in the combustion chamber, because both the pressure and the temperature level in the combustion chamber to the intake valve closing timing is between 3 and 4% lower is lower than normal air suction systems. Consequently, at a Sports vehicle with a supercharged engine, especially at high Load points and speeds, with the same engine power a cheaper Fuel consumption or a higher engine power at the same Fuel consumption can be achieved.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine durch den Einsatz eines Abgasturboladers mit einer verstellbaren Turbinengeometrie in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Expansionsluftsauganlage eine ständige Anpassung der erzielten Expansion der Verbrennungsluft innerhalb der Luftsauganlage an den Betriebszustand des Motors. Hierdurch kann bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eine Optimierung des Zündzeitpunktes und daher eine weitere Wirkungsgradverbesserung erreicht werden.In a further advantageous embodiment of the invention takes place in the internal combustion engine according to the invention the use of an exhaust gas turbocharger with an adjustable turbine geometry in connection with the expansion air intake system according to the invention a constant adaptation of the achieved expansion of the combustion air within the air intake system to the operating condition of the engine. hereby can in the internal combustion engine according to the invention an optimization of the ignition timing and therefore another Efficiency improvement can be achieved.
Weitere Merkmale und Merkmalkombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:Further Features and feature combinations result from the description. Concrete embodiments of the invention are shown in the drawings shown simplified and in the following description in more detail explained. Showing:
Eine
Brennkraftmaschine
In
Erfindungsgemäß ist
eine Verteilerrohrlänge LV in Abhängigkeit
von einem äquivalenten Verteilerrohrdurchmesser DV derart bemessen, dass eine Verringerung
des Ladedruckes der Verbrennungsluft innerhalb der Luftsauganlage
Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird die schwingende Luft in der Luftsauganlage
Die
vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die hier beschriebene
Expansionssauganlage
Bei
einem aufgeladenen Vier-Zylinder-Motor ist der Bereich für
die Verteilerrohrlänge LV, in dem die
Expansionssauganlage vorteilhafte Ergebnisse erzielen kann, durch
folgende Formel bestimmt:
Dabei
entspricht LS einer Saugrohrlänge
zwischen dem Plenum
Bei
einem Verteilerrohr
Dabei ist x die Wegkoordinate entlang einer Rohrmittellinie. Bereiche, in denen AV(x) größer ist als die doppelte mittlere Querschnittsfläche AM werden nicht als Rohr, sondern als Behälter gewertet und gehen nicht in die Berechnungen der Rohrlänge LV und des äquivalenten Verbindungsrohrdurchmessers DV ein.Where x is the path coordinate along a pipe centerline. Areas where A V (x) is greater than twice the average cross-sectional area AM are considered not as a pipe but as a container and are not included in the calculations of the pipe length L V and the equivalent pipe diameter D V.
Daraus ergibt sich der äquivalente Verbindungsrohrdurchmesser DV nach der Formel: This results in the equivalent connecting tube diameter D V according to the formula:
Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß
Gemäß der
Erfindung ergeben sich bei einer Auslegung der Expansionssauganlage
Die
hier beschriebene Brennkraftmaschine
Die
in
Die
Abmessungen der gegenübergestellten Luftsauganlagen gemäß
Im
oberen Diagramm in
Gemäß
Das
Ergebnis zeigt sich schließlich am Temperaturverlauf TB im Brennraum des ersten Zylinders. Im Vergleich
zur Beruhigungsbehälter-Sauganlage, die den idealisierten
Stand der Technik darstellen soll, wird eine Temperaturabsenkung
um mehr als 20 Grad erzielt. Dieser Effekt ermöglicht gemäß
Wie
im oberen Diagramm aus
Gemäß
Eine
abgewandelte Form des dritten Ausführungsbeispiels ist
in
Nach
einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung
gemäß
In
Die
erfindungsgemäße Expansionssauganlage
Die
geometrische Ausgestaltung der Luftsauganlage
Folglich
kann die Motorleistung erhöht werden, indem der Zündzeitpunkt
der Brennkraftmaschine
Um
die erzielte Expansion in der Luftsauganlage
Die
vorliegende Erfindung wird anhand der Luftsauganlage
Mit
der vorliegenden Erfindung kehrt die erfindungsgemäße
Luftsauganlage den Resonanzaufladeeffekt bei höheren Motordrehzahlen
um, so dass anstelle einer Kompression eine Expansion genutzt wird.
Durch diese Expansion innerhalb der Luftsauganlage
Gemäß
In
den
Darüber
hinaus ist in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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