DE3711096C2 - Ansaugsystem für eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ansaugsystem für eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Brennkraftmaschine, deren Leistung durch einen kinetischen Effekt der Ansaugluft (Schwingungsauf­ ladung) verbessert wird.

Bekanntlich wird zu Beginn jedes Ansaughubes einer Kolben-Brennkraftmaschine im Ansaugsystem eine negative Druckwelle erzeugt, die sich stromaufwärts im Ansaug­ system fortpflanzt und anschließend am Ende des Systems, entweder an der Öffnung zur Atmosphäre oder zu einem Puffertank hin, der an der Aufströmseite des Ansaug­ systems angeordnet ist, reflektiert wird. Nach der Reflexion läuft die Druckwelle als positive Druckwelle zur Einlaßöffnung des Zylinders zurück. Durch Aus­ bildung des Ansaugsystems so, daß die positive Druck­ welle die Einlaßöffnung unmittelbar vor dem Schließen des Einlaßventils erreicht, wird zusätzliche Ansaug­ luft in den Brennraum gefördert und dadurch der Liefer­ grad erhöht. Es sind zahlreiche Ansaugsysteme bekannt, in denen ein derartiger Trägheits- oder Resonanz­ effekt der Ansaugluft zur Steigerung des Liefergrades ausgenützt wird. Jedoch läßt sich bei diesen bekannten Systemen die Schwingungsdauer der Druckwelle im Ansaug­ system mit der Öffnungs- und Schließfrequenz des Ein­ laßventils zur Erzielung einer hinreichenden Schwingungs­ aufladung nur innerhalb eines begrenzten Drehzahl­ bereiches abstimmen, der durch die Formgebung der Ein­ laßleitung festgelegt ist. Deshalb sind bereits Ansaug­ systeme vorgeschlagen worden, in denen beispielsweise die Länge der Ansaugleitung in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl verändert wird, um einen Schwingungs­ aufladungseffekt über einen breiteren Drehzahlbereich hinweg zu erhalten. Zu diesem Zweck ist beispielsweise bei einem bekannten Ansaugsystem (JP 56 115819 A) jede Einzel-Ansaugleitung, die jeweils zu einem Brennraum führt, in der Weise verzweigt, daß sie einen längeren und einen kürzeren Leitungsabschnitt bildet, die beide am aufstromseitigen Ende zu einem Puffertank od. dgl. hin münden. In dem kurzen Leitungsabschnitt ist ein Schließventil angeordnet, das diesen Abschnitt bei hoher Maschinendrehzahl öffnet, um dadurch die Effektivlänge der Einzel-Ansaugleitung zu verkürzen. Auf diese Weise erhält man eine ausreichende Schwingungs­ aufladung auch im höheren Drehzahlbereich.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ansaugsystem wird der Liefergrad für einen Zylinder durch die Schwingungsauf­ ladung mittels einer Druckwelle in der Ansaugluft erhöht, wobei die Druckwelle sich lediglich in der Einzel- Ansaugleitung fortpflanzt, die zu dem entsprechenden Zylinder führt. Jedoch läßt sich der Liefergrad noch weiter steigern, wenn es gelingt, die Druckfortpflanzung in den Einzel-Ansaugleitungen, die auch zu den übrigen Zylindern führen, effektiv auszunützen. Aus diesem Grund wurde bereits ein Ansaugsystem für eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei dem ein Schwingungsaufladungseffekt in der Ansaugluft zur Steigerung des Liefergrades sowohl im niedrigen als auch im hohen Drehzahlbereich erzielbar ist, wobei zugleich der Aufladeeffekt in jeder Einzel-Ansaug­ leitung durch die Druckwelle in mindestens einer der übrigen Ansaugleitungen besonders im hohen Drehzahl­ bereich gesteigert wird (DE 36 31 124 A1). Dieses Ansaugsystem weist eine Ansaugleitung auf, die aus einem gemeinsamen, zur Atmosphäre mündenden Leitungsabschnitt, einem Puffertank am abströmseitigen Ende des gemeinsamen Leitungsabschnitts und einer Mehrzahl von Einzel-Ansaugleitungen besteht, die von dem Puffertank ausgehen und jeweils mit einem Zylinder verbunden sind. Dabei ist mindestens eine Verbindungs­ leitung vorgesehen, die jede der Einzel-Ansaugleitungen mit mindestens einer der übrigen Einzel-Ansaugleitungen in einem Abschnitt stromab von dem Puffertank verbindet. An jeder Verbindungsstelle der Verbindungsleitung mit den Einzel-Ansaugleitungen ist ein Klappenventil ange­ ordnet, durch das die Verbindungsstelle geöffnet oder verschlossen werden kann. Dieses Schließventil steht zumindest dann offen, wenn die Maschinendrehzahl eine vorbestimmte Drehzahl bei einem Betrieb unter hoher Last übersteigt.

Bei diesem Ansaugsystem sind die Klappenventile im niedrigen Drehzahlbereich (unterhalb der genannten vor­ bestimmten Drehzahl) geschlossen, so daß die Ansaugluft jedem Brennraum über eine effektiv längere Leitung zuge­ führt wird, die den Teil jeder Einzel-Ansaugleitung zwischen dem Puffertank und der Verbindungsstelle der Einzel-Ansaugleitung und der Verbindungsleitung mit einbeschließt. Hierdurch kann die Schwingungsdauer der Druckwelle in der Ansaugleitung auf die Öffnungs- und Schließfrequenz des Einlaßventils abgestimmt und ein ausreichender Aufladungseffekt im niedrigen Drehzahl­ bereich erzielt werden. Im hohen Drehzahlbereich sind die Klappenventile geöffnet. Die negative Druckwelle, die zu Beginn jedes Ansaughubes in jedem Brennraum erzeugt wird, pflanzt sich hierbei stromaufwärts durch die entsprechende Einzel-Ansaugleitung fort und wird an der Verbindungsstelle der Einzel-Ansaugleitung mit der Verbindungsleitung als positive Druckwelle in Richtung Brennraum wieder reflektiert. Hierdurch wird Ansaugluft in den Brennraum eingedrückt und zugleich wird die Druckwelle oder werden die Druckwellen der übrigen Einzel-Ansaugleitung bzw. Ansaugleitungen, die über die Verbindungsleitung an die genannte Einzel- Ansaugleitung angeschlossen sind, ebenfalls herange­ führt, wodurch der Liefergrad weiter gesteigert wird.

Im allgemeinen wird ein in einer Leitung angeordnetes Klappenventil so gelagert, daß die Klappe in der voll geöffneten Stellung sich parallel zur Mittelachse der Leitung erstreckt. Da aber in dem Ansaugsystem das Klappenventil so in der Verbindungsleitung an deren Verbindungsstelle mit der Einzel-Ansaugleitung ange­ ordnet ist, daß im geschlossenen Zustand des Klappen­ ventils das Volumen der Verbindungsleitung die Effektiv­ länge der Einzel-Ansaugleitung nicht beeinflußt, strömt bei paralleler Ausrichtung der voll geöffneten Ventilklappe zur Mittelachse der Verbindungsleitung die Ansaugluft in den abströmseitigen Teil der Einzel- Ansaugleitung längs der Ventilklappe unter dem An­ schlußwinkel der Verbindungsleitung in die Einzel- Ansaugleitung. Dadurch steigt der Energieverlust an der Verbindungsstelle und die Fortpflanzung der Druck­ welle zwischen der Verbindungsleitung und der Einzel­ Ansaugleitung wird behindert, wodurch der Aufladungs­ effekt geringer wird.

Im Hinblick auf die vorstehenden Erläuterungen besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Ansaugsystem der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem die Ansaugluftströmung und die Fortpflanzung der darin laufenden Druckwelle im voll geöffneten Zustand des Klappenventils nicht beein­ trächtigt sind.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch die Ausge­ staltung gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruches 1.

Infolge der Ausrichtung des Klappenventils in der voll geöffneten Stellung in Richtung der Ansaugluft­ strömung in der Einzel-Ansaugleitung strömt die aus der Verbindungsleitung kommende Ansaugluft in die Einzel-Ansaugleitung erst nach einer bereits erfolgten Umlenkung in Strömungsrichtung der Ansaugluft der Einzel-Ansaugleitung aufgrund der entsprechenden Führung durch die Ventilklappe ein. Hierdurch wird die Ansaugluftströmung in der Einzel-Ansaugleitung und auch die Leitung der Druckwelle zwischen der Ver­ bindungsleitung und der Einzel-Ansaugleitung ver­ bessert, so daß hierdurch der Aufladungseffekt ge­ steigert wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Aus­ führungsbeispiels der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Vierzylinder- Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie III-III in Fig. 1;

Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 1, und

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Teils der Maschine.

Die in den Fig. 1 bis 5 dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist vier Zylinder 2 auf und ist mit einem Ansaugsystem nach der Erfindung ausgestattet. In jedem Zylinder 2 ist über einem nicht gezeigten Kolben ein Brennraum 3 ein Brennraum ausgebildet, in den bzw. von dem eine Einlaß­ öffnung 4 und eine Auslaßöffnung 5 münden. Die Einlaß­ öffnung 4 und die Auslaßöffnung 5 sind mit einem Ein­ laßventil 6 bzw. einem Auslaßventil 7 ausgestattet.

An die Einlaßöffnung 4 jedes Zylinders 2 schließt das abströmseitige Ende einer Einzel-Ansaugleitung 8 an, von denen eine für jeden Zylinder getrennt von den übrigen Zylindern vorgesehen ist. Der aufströmseitige Endabschnitt jeder Einzel-Ansaugleitung 8 erstreckt sich von der Maschine 1 weg nach außen, krümmt sich nach oben und ist an einen Puffertank 9 angeschlossen, der parallel zur Bank der Zylinder 2 bzw. parallel zur Kurbelwelle liegt. Der Puffertank 9 ist im Querschnitt im wesentlichen rechteckig. Die Einzel-Ansaugleitungen 8 sind bezüglich ihrer Länge im wesentlichen gleich und diese Länge ist so gewählt, daß in einem relativ niedrigen Drehzahlbereich ein hinreichender Schwingungsaufladeeffekt in der Ansaug­ luft erzielbar ist. Ansaugluft wird dem Puffertank 9 über eine gemeinsame Ansaugleitung 11 zugeführt, in der eine Drosselklappe 10 angeordnet ist. Weiterhin ist in jeder Einzel-Ansaugleitung 8, nahe an deren abström­ seitigem Ende, ein Kraftstoff-Einspritzventil 12 vorge­ sehen.

An die Einzel-Ansaugleitungen 8 ist in deren Mittel­ bereich eine Verbindungsleitung 13 angeschlossen und so mit den Einzel-Ansaugleitungen 8 verbunden, daß diese untereinander in Verbindung stehen. Die Verbindungs­ leitung 13 beinhaltet Mündungsabschnitte 14, die von den jeweiligen Einzel-Ansaugleitungen 8 abzweigen, sowie einen Leitungsabschnitt 15, der parallel zum Puffertank 9 verläuft und mit den einzelnen Mündungs­ abschnitten 14 verbunden ist.

Bei der vorliegend beschriebenen Ausführungsform ist der gesamte Ansaugluftverteiler in einen oberen Teil 16 und einen unteren Teil 17 unterteilt. Der obere Teil 16 beinhaltet den Puffertank 9 und aufströmseitige Ab­ schnitte 8a der Einzel-Ansaugleitungen 8, wobei diese Teile untereinander einstückig ausgebildet sind und zwischen sich einen nach unten sich öffnenden Raum 18 bilden. Der untere Teil 17 umfaßt die abströmseitigen Abschnitte 8b der Einzel-Ansaugleitung 8 sowie die Mündungsabschnitte 14 der Verbindungsleitung 13, die ebenfalls einstückig miteinander sind und an ihrer Oberseite eine Ausnehmung 19 bilden, die dem genannten Raum 18 gegenüberliegt. Die Mündungsabschnitte 14 sind zu der Ausnehmung 19 hin offen. Der obere Teil 16 und der untere Teil 17 sind mit einer dazwischenliegenden Trennplatte 20 miteinander verbunden, die außerdem als Dichtung wirkt. Die Trennplatte 20 ist an einer der Ausnehmung 19 gegenüberliegenden Stelle nach oben gewölbt und bildet auf diese Weise den Leitungsteil 15 der Verbindungsleitung 13. Der Raum 18 oberhalb der Trennplatte 20 steht mit der Einzel-Ansaugleitung 8 über eine Leitung 22 in Verbindung, die ein Rück­ schlagventil 21 enthält, und wirkt als Unterdruck­ kammer zur Speicherung von Ansaug-Unterdruck.

Jeder Mündungsabschnitt 14 der Verbindungsleitung 13 ist mit einem Klappenventil 23 ausgestattet. Die Klappen der Klappenventile sind an einer mittig liegenden Drehwelle 24 befestigt und können durch eine Betätigungs­ vorrichtung 25, die eine Membran enthält, geöffnet und geschlossen werden. Die Betätigungsvorrichtung 25 ist mit dem die Unterdruckkammer bildenden Raum 18 über ein Dreiwege-Magnetventil 26 verbunden. Durch ein Steuersignal gesteuert, das von einer Steuer­ einheit 28 an das Dreiwege-Magnetventil 26 angelegt wird, wird die Betätigungsvorrichtung 25 wahlweise mit Atmosphärendruck oder dem Ansaug-Unterdruck beauf­ schlagt. Die Steuereinheit 28 erhält ihrerseits ein Drehzahlsignal 27 mit dem Ergebnis, daß die Klappen­ ventile 23 schließen, wenn die Maschinendrehzahl niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, jedoch in Öffnungsrichtung (Pfeil in Fig. 1) in die Voll-Offenstellung verstellt werden, wenn die Maschinendrehzahl nicht kleiner als der ge­ nannte Wert ist. Jedes Klappenventil 23 ist in dem Mündungsabschnitt 14 so angeordnet, daß die Klappe gegenüber der Mittelachse CL des Mündungsabschnittes 14 bei voller Öffnung stromabwärts bezüglich der An­ saugluftströmung geneigt ist, wie das gestrichelt in Fig. 1 gezeigt ist. Wenn somit das Klappenventil 23 im hohen Drehzahlbereich voll geöffnet ist, dann strömt Ansaugluft aus dem Mündungsabschnitt 14 in die Einzel-Ansaugleitung 8 nach einer Umlenkung durch das Klappenventil 23 in Strömungsrichtung der Ansaug­ luft ein.

In der gezeigten Ausführungsform hat die Einzel-Ansaug­ leitung 8 einen relativ kleinen Querschnitt, um hierdurch die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft im niedrigen Drehzahlbereich zu erhöhen, und die effektive Querschnittsfläche der Verbindungsleitung 13 ist größer als die Querschnittsfläche der Einzel-Ansaugleitung 8. Die Querschnittsfläche Ap 1 des Abschnitts 8a der Einzel- Ansaugleitung 8 stromaufwärts von der Verbindungsstelle mit dem Mündungsabschnitt 14 ist kleiner als die Querschnittsfläche Ap 2 des Abschnitts 8b der Einzel- Ansaugleitung stromabwärts von dieser Verbindungs­ stelle. Außerdem ist die effektive Querschnittsfläche As des Mündungsabschnitts 14 größer als die Quer­ schnittsfläche Ap 2 des Abschnitts 8b der Einzel- Ansaugleitung stromabwärts von der Verbindungsstelle und die Querschnittsfläche Ar des Leitungsabschnitts 15 der Verbindungsleitung 13 ist größer als die effektive Querschnittsfläche As des Mündungsabschnitts 14. Die Strömungsquerschnitte der einzelnen Leitungsab­ schnitte werden somit in der Reihenfolge Ap 1, Ap 2, As, Ar größer.

Unter dem Begriff "effektive Querschnittsfläche des Mündungsabschnitts 14" ist die Querschnittsfläche des Mündungsabschnitts 14 abzüglich derjenigen Querschnitts­ fläche zu verstehen, die durch die Drehwelle 24 und das Klappenventil 23 verbraucht wird, wenn das Klappen­ ventil 23 sich in der voll geöffneten Stellung befindet.

Die Wandfläche 29 des Mündungsabschnitts 14 in dem Bereich, an dem der Mündungsabschnitt 14 sich zu dem Leitungs­ abschnitt der Verbindungsleitung 13 hin öffnet, sowie die Wandfläche 30 des Mündungsabschnitts 14 dort, wo dieser in den stromab befindlichen Abschnitt 8b der Einzel- Ansaugleitung 8 übergeht, sind strömungsgünstig gerundet bzw. gekrümmt.

Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Aus­ führungsform ist folgende: In dem Zustand, in welchem die Klappenventile 23 geschlossen sind und damit die Verbindung zwischen den Einzel-Ansaugleitungen 8 unter­ brochen ist, wird die beim Ansaughub erzeugte negative Druckwelle zum Puffertank 9 hin geleitet und dort reflektiert. Damit läuft sowohl die negative als auch die reflektierte Druckwelle über eine relativ lange Strecke und die so erhaltene Eigenfrequenz der Druckschwingung stimmt mit dem Öffnungs- und Schließzyklus des Einlaßventils 6 im niedrigen Dreh­ zahlbereich überein, so daß der Liefergrad durch Schwingungsaufladung erhöht werden kann.

In dem Zustand, in welchem die Klappenventile 23 offenstehen und die Einzel-Ansaugleitungen 8 über die Verbindungsleitung 13 miteinander verbunden sind, wird die beim Ansaughub erzeugte negative Druckwelle an der Verbindungsleitung 13 reflektiert. Somit ist die Strecke, längs der sich die negative und die reflektierte Druckwelle fortpflanzen, verkürzt, so daß hierdurch der Schwingungsaufladeeffekt im hohen Drehzahlbereich eintritt. Dabei tragen die Druckwellen, die zu jeder Einzel-Ansaugleitung 8 von den übrigen Einzel-Ansaugleitungen her durch die Verbindungsleitung 13 verlaufen, zu einer weiteren Steigerung des Schwingungsaufladeeffekts bei.

Aufgrund der geschilderten Ausrichtung der Klappen­ ventile 23 strömt die Ansaugluft aus der Verbindungs­ leitung 13 ungestört in die Einzel-Ansaugleitungen 8, so daß hierdurch ebenfalls der Schwingungsauflade­ effekt verbessert wird. Dabei wird aufgrund des Um­ standes, daß allein die Einzel-Ansaugleitung 8, durch die im niedrigen Drehzahlbereich die Ansaug­ luft strömt, einen relativ kleinen Querschnitt hat, die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft erhöht und hierdurch der Aufladeeffekt im niedrigen Dreh­ zahlbereich, in welchem die Ansaugluftmenge gering ist, gesteigert. Im hohen Drehzahlbereich hingegen, in welchem die Ansaugluftmenge groß ist, strömt die Ansaugluft in den abströmseitigen Abschnitt 8b der Einzel-Ansaugleitung 8 sowohl über die Verbindungs­ leitung 13 als auch den aufströmseitigen Abschnitt 8a ein, wodurch beim Ansaughub dem Zylinder 2 eine aus­ reichende Ansaugluftmenge zugeführt werden kann.

Da die effektive Querschnittsfläche der Verbindungs­ leitung 13 größer als diejenige der Einzel-Ansaug­ leitung 8 ist, ist der Strömungswiderstand in der Verbindungsleitung 13 auch geringer. Infolge der etwas größeren Querschnittsfläche des abströmseitigen Ab­ schnitts 8b der Einzel-Ansaugleitung 8 gegenüber dem aufströmseitigen Abschnitt 8a davon kann im hohen Drehzahlbereich die Anforderung an die Ansaugluft­ menge erfüllt werden. Wird jedoch die Querschnitts­ fläche des abströmseitigen Abschnittes 8b übermäßig groß, dann verringert sich die Strömungsgeschwindig­ keit der Ansaugluft im niedrigen Drehzahlbereich. Da im niedrigen Drehzahlbereich die Verbindungsleitung 13 geschlossen ist, kann deren Querschnittsfläche jedoch vergrößert werden, ohne daß im niedrigen Drehzahl­ bereich eine Verringerung der Strömungsgeschwindig­ keit der Ansaugluft eintritt.

Wie oben beschrieben, ist die Querschnittsfläche des Leitungsabschnittes 15 der Verbindungsleitung 13 größer als die effektive Querschnittsfläche des Mündungsab­ schnittes 14. Damit ist beabsichtigt, die Verringerung der effektiven Querschnittsfläche des Leitungsabschnittes 15 aufgrund der Biegung an seiner Anschlußstelle an den Mündungsabschnitt 14 zu kompensieren.

Claims (4)

1. Ansaugsystem für eine Mehrzylinder-Brennkraft­ maschine, mit mehreren Einzel-Ansaugleitungen, die an ihrem abströmseitigen Ende je mit einem Zylinder verbunden sind, mit mindestens einer Verbindungsleitung, die jede der Einzel-Ansaug­ leitungen mit mindestens einer der übrigen Einzel-Ansaugleitungen verbindet, und mit einem Klappenventil an jeder Verbindungsstelle der Verbindungsleitung mit den Einzel-Ansaugleitungen, das zwischen einer Schließstellung und einer Voll-Offenstellung durch eine Betätigungsvor­ richtung in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Klappenventil (23) derart angeordnet ist, daß es zur Mittelachse (CL) der Verbindungs­ leitung (13, 14) in der Voll-Offenstellung in Strömungsrichtung der in der Einzel-Ansaugleitung (8) strömenden Ansaugluft geneigt ist und daß die effektive Querschnittsfläche der Verbindungs­ leitung (13, 14, 15) größer als die Querschnitts­ fläche der Einzel-Ansaugleitung (8) ist.

2. Ansaugsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (13) Mündungsabschnitte (14), die von den Einzel- Ansaugleitungen (8) abzweigen, sowie einen volumen­ bildenden Abschnitt (15) aufweist, der mit den Mündungsabschnitten (14) verbunden ist, und daß die Klappenventile (23) in den Mündungsabschnitten (14) angeordnet sind.

3. Ansaugsystem nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Querschnittsfläche des volumen­ bildenden Teils (15) größer als die effektive Quer­ schnittsfläche jeweils der Mündungsabschnitte (14) ist.

4. Ansaugsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Klappenventil (23) in einem niedrigen Drehzahlbereich geschlossen und in einem hohen Drehzahlbereich geöffnet ist.