DE842873C - Abgassammler fuer aufgeladene Brennkraftmaschinen mit nachgeschalteter Abgasturbine - Google Patents

Description

• Abgassammler für aufgeladene Brennkraftmaschinen mit nachgeschalteter Abgasturbine Bei der Aufladung von Dieselmotoren durch Abgasturbogel>läse hat sich bekanntlich als notwendig erwiesen, besondere Maßnahmen zur Ausnutzung der Druckwellen in der Abgasleitung zu ergreifen, um bei einem ausreichenden SI>iilgefülle zur Beseitigung der Restgase im Zylinder auch mit mäßigen Abgastemperaturen die Verdichterarbeit aufbringen zu können. Neben der Aufteilung der Leitung ist die Art der Rohrführung und der Kanalquerschnittsverlauf vom Ventil zur Turbinendüse von großer Bedeutung für die Ausbildung dieser Druckwellen, die einen möglichst hohen Energiebetrag der im Zylinder vorhandenen potentiellen Energie für die Expansion in der Düse bereitstellen sollen.
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung der Abgasführung durch Erschwerung der Ausbildung schädlicher rücklaufender oder hin und her pendelnder Druckwellen als Folge der jeweiligen Ausgangsdruckwelle zu erreichen. Die Energiebeträge der nachlaufenden, hin und her pendelnden Druckwellen verbrauchen sich nutzlos unter Reibung und Abstrahlung, ihre Pendelfrequenz innerhalb des im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit kurzen Rohrsystems ist immerhin so groß, daß wesentliche Energieeinbußen für die zu späteren Zeitpunkten entstehenden Ausschubdruckwellen anderer angeschlossener Zylinder erfolgen und auch die Spülung derselben ungünstig beeinflußt werden kann.
• Um das Pendeln reflektierter Wellen weitgehend auszulöschen, werden gemäß der Erfindung an den Einmündungsstellen des Rohrsystems, d. h. den Anschlußstellen der Zylinderstutzen, blenden- oder düsenartige Verengungen vorgesehen. Wenn der z,#veckmäßigerweise gekrümmte Zylinderstutzen, tangential in die Sammlerachse einmündend, mit seinem verengten Mündungsende etwas in den Sainrnler hineinragt, wird auch der Sammlerquerschnitt an dieser Stelle eingeengt, und es entstehen praktisch von selbst für die Verzweigungsstelle nebeneinanderliegende, in Richtung Turbinendüse @-erengte Kanäle, die besonders für den beabsichtigten Z\%-,eck geeignet sind. Der dadurch entstehende zungenartige Einbau an der Einmündungsstelle hat zwar das Aussehen und auch eine gewisse Wirkung einer Leitfläche, ihre wesentliche Bedeutung liegt aber in der düsenartigen Einengung der zusammenlaufenden Kanalquerschnitte. Es wird damit erreicht. daß vor der Turbinendüse der verfügbare l)ruckwellenenergiebetrag pro ausschiebendem Zylinder besonders groß wird. Es kommt dies in der Amplitude und einer gewissen Völligkeit der Druckwelle zum Ausdruck. Natürlich muß dafür gesorgt «-erden, claß die zwischen den Druckwellen liegenden Täler hei dem erreichbaren Ladedruck vor dem Zylinder ein gewisses Spülgefälle gewährleisten. Ohne wesentlichen Anstieg des statischen Staudrucks vor der Turbine erfährt dadurch das Arbeitsvermögen der Abgasturbine eine erhebliche Steigerung, welche die Möglichkeit hoher Ladedrücke schafft und damit trotz Einengung der Täler als Folge einer gewissen Völligkeit der Druckwellen das Spülgefälle sowie die Ladungswechselarbeit günstig beeinflußt.
• Bei der bekannten Aufteilung der Abgasleitungen, welche den Anschluß von zwei oder drei Zylindern an einen Rohrstrang bedingt, ist diese Richtungsbevorzugung für den Energietransport besonders aus #epr<igt. Es wird damit erreicht, daß infolge des \\'egfalles der Pendelung rücklaufenderWellen diese \\'irl;iiiig auch bei Anschluß von noch mehr Zylindernaneine .-\bgassammelleitung noch in ausreichendem Maße eintritt. Unter Umständen muß ein längeres Rohrstück, evtl. auch als Diffusor ausgebildet, vorn letzten Zylinderanschluß bis zur Turbinendüse eingeschaltet werden. Neben der Vereinfachung der Abgasführung ergibt sich daraus für die Durchführung der Hochaufladung, bei der bekanntlich die Abgasturbinen mitRücksicht auf thermodynamische Güte mehrstufig ausgelegt werden müssen, die Möglichkeit einer besseren Ausnutzung der Druckwellenenergie in der in den hinteren Stufen praktisch immer voll beaufschlagten Schaufelung. Dies liegt daran, daß die zur Verfügung gestellte Druckwellenenergie infolge der größeren Häufigkeit der zur Verarbeitung gelangenden Druckwellen eher unter den einer Strömungsmaschine eigenen günstigen Bedingungen für stationären Durchfluß ohne verlustreiche Anlaufvorgänge verarbeitet werden kann.
• In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele von Abgasleitungen an Brennkraftmaschinen nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i das Schema einer Abgasleitung für eine Secliszylinderbrennkraftmaschine, Fig. 2 einen Schnitt durch eine Einmündungsstelle finit Verwendung besonderer Mündungsformen, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine ringförmige Einmündung eines Abgasstutzens in die Sammelleitung und Fig. 4 einen Querschnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3.
• In der Fig. i sind die Abgasleitungen r und 2 der Übersichtsmöglichkeit wegen auf beiden Seiten der Brennkraftmaschine 3 dargestellt. Die Stutzen 4, 7 und 8 der Zylinder I, IV und V münden in die Leitung i und die Stutzen 5, 6 und 9 in die Leitung 2. Beide Abgasleitungen i und 2 führen zum Turbinengehäuse i9, in dem der Turbinenläufer io von den Abgasen beaufschlagt wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Einengung bei der Einmündung der Stutzen in die Sammelleitung in einfacher Weise ausgeführt. Im Zwickel mit dem kleineren Winkel der Gabelung ist ein Sägeschnitt vorgenommen, in welchem ein Blech i i eingeschweißt ist. Durch die Länge des Einschnittes und seine Neigung zur Sammlerachse lassen sich passende Einengungen erzielen, um die Dämmwirkung auf rücklaufende Wellen für den jeweiligen Fall bestmöglich zu erreichen. Man sieht ohne weiteres, daß die relative Verengung an Stutzen und Sammler, gekennzeichnet durch das Verhältnis fstl f'st bzw. fslf'$, durch die beiden erwähnten Größen eingestellt werden kann. Bei Anschluß mehrerer Zylinder an einen Abgassammler sind z. B. mit zunehmender Annäherung an die Turbinendüse am Sammlerende verschiedene Verengungen an den einzelnen Verzweigungsstellen zweckmäßig, und zwar in dem Sinn, daß die Querschnitte f$ zunehmen, wenn nicht sowieso der Sammlerquerschnitt als solcher zur Turbinendüse hin schwach erweitert ausgebildet ist. Ergänzend zu der dargestellten einfachen Lösung der Einengungen an der Verzweigungsstelle können eingesetzte Sickenbänder 12 gemäß Fig. 2 zur Erhöhung der Steuerwirkung des Transportes von Druckwellenenergie angewendet werden. Es sind oft auch nachgeschaltete Erweiterungen von Vorteil, welche im Querschnittsverlauf den Venturiröhren ähnlich sind. Die Begrenzungsränder der einengenden Wände kann man sogar wellig ausbilden.
• Wenn das bogenförmige Einmünden der Zylinderstutzen in der Sammlerachse aus irgendwelchen Gründen unerwünscht ist, kann mit Vorteil eire Ringeinlauf in den Sammler angewendet werden, dessen grundsätzliche Eigenart aus Fig. 3 ersichtlich ist. Der Zylinderstutzen 13 legt sich an der Verzweigungsstelle mit einer Spirale um das Sammlerende 14 der weiter ab angeschlossenen Zylinder, das vorn düsenartig eingezogen ist. An diesen Austrittsquerschnitt schließt sich der längs des Umfanges ständig abnehmende Spiralringraum mit einem düsenartigen Ringquerschnitt 15 an. Bei Anordnung mehrerer Sammler i und i' an einer Motorlängsseite kann durch entsprechende Abkrümmung des Spiralstutzenis 13' vom Zylinderanschluß der vorhandene Platz gut ausgenutzt werden.
• Die Auswirkung der auf diese Weise vor der Turbine aufgespeicherten Druckwellenenergie verbessert die Bilanz der Turbinenseite bei der Rufladung, der mögliche kleine Staudruckzuwachs der Abgasseite wird durch die Drehzahlerhöhung des Turboladers und die damit verbundene Ladedrucksteigerung weitgehend ausgeglichen, so daß eine Leistungssteigerung des Gesamttriebwerks herauskommt, ohne eine merkbare Erhöhung des spezifischen Verbrauchs. Es können daher auch Leistungszustände günstiger gefahren werden, bei welchen der Betriebspunkt im Kennfeld des Verdichters nicht gerade bei den besten Wirkungsgraden liegt. Da die Druckwellendynamik sehr schnell anspricht, ist gerade für aufgeladene Fahrzeugmotoren eine schnelle Beschleunigung möglich. Damit wird ein kleiner Nachteil des aufgeladenen Motors gegenüber dem unaufgeladenen hinsichtlich einer gewissen Trägheit der Laständerungen mindestens ausgeglichen.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Abgassammler für aufgeladene Brennkraftmaschinen mit nachgeschalteter Abgasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß die Einmündungsstelle eines Zylinderstutzens (4 bis 9) in die Abgasleitung (1, 2) so gestaltet ist, daß sowohl der Stutzenquerschnitt wie auch der Sammlerquerschnitt an der EinmündungsstellederStrömungskanäle düsen- oder blenden-artig eingeengt ist.
2. 2. Abgassammler nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Mündungsrand des Zylinderstutzens (4 bis 9) in den Sammlerquerschnitt hineinragt und diesen düsenartig einengt.
3. 3. Abgassammler nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Verengung durch ein eingefügtes Blech (i i) entsprechender Neigung zur Sammlerachse und entsprechender Länge vorgenommen ist. .
4. 4. Abgassammler nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eingebaute Sickenringe (i2) die allseitige düsenartige Einengung der an der Einmündungsstelle zusammenstoßenden Strömungsquerschnitte bewerkstelligen.
5. 5. Abgassammler -nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einmündungsstelle nach der Einengung der zusammenstoßenden Stutzen und Sammler sich eine gemeinsame Erweiterung wie bei einem Venturirohr anschließt.
6. 6. Abgassammler nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das eingeengte Sammlerende (14) von :weiter ab liegenden Zylindern in den Krümmerstutzen (4 bis 9) hineinragt.
7. 7. Abgassammler nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß des Krümmers (4 bis 9) an die Sammelleitung (1, 2) ringdüsenförmig ausgebildet ist und der Stutzenkrümmer (4 bis 9) spiralig das eingeengte Sammlerende (14) umschließt. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 737 396, 737 250, 687 106, 314347 305111.