DE1068513B

DE1068513B - Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung

Info

Publication number: DE1068513B
Application number: DENDAT1068513D
Authority: DE
Inventors: Augsburg Josef Reisacher
Original assignee: Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg A.G., Augsburg
Publication date: 1959-11-05

Description

Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung, bei welcher die Abgase der einzelnen Zylinder durch Verbindungsstutzen derart in eine Auspuffsammelleitung eingeführt werden, daß in dieser eine starke DrallstrÖmung erzeugt wird.
Bei Schalldämpfern an Reihenbrennkraftmaschinen ist es bekannt, die Verbindungsstutzen zwischen den einzelnen Zylindern und einer dem eigentlichen Schalldämpfer vorgeschalteten Sammelleitung im Innern derselben annähernd bis zur dazu senkrechten Mittelebene vorzuziehen, wobei der Stutzenquerschnitt innerhalb der Leitung gegen die Mündung hin eine abnehmende Höhe aufweist. Wendet man erfindungsgemäß diese Maßnahme bei der Auspuffsammelleitung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboladung an, so kann damit eine Absenkung des statischen Druckes am Mündungsquerschnitt gegenüber anderen Stellen am Umfang der Sammelleitung erzielt und das Spülgefälle vergrößert werden. Der durch die in der Sammelleitung vorstehenden Stutzen vergrößerte Strömungswiderstand wird in Weiterausbildung der Erfindung durch Verbreiterung der Stutzen gegen den Mündungsquerschnitt hin gemessen parallel zur Sammelleitungsachse wesentlich verringert. Durch die gleichzeitige Anwendung der erwähnten Maßnahmen wird vermieden, daß die vorhandene Strömungsenergie der rotierenden Abgase auf dem Wege durch dieAuspuffleitung infolge Reibung, Impulsaustausch, Störungen an den Einmündungsstellen anderer Zylinder, auftretende Relativströmung usw. zum großen Teil vor der Ausnützung vernichtet wird. Zweckmäßigerweise wird innerhalb der Sammelleitung die derenAchse zugewendeteFläche der Verbindungsstutzen an der Durchdringungsstelle mit der Außenwand der Sammelleitung in einem Winkel angeordnet, welcher eine starke Krümmung der Stromlinien hervorruft und der weitere Verlauf dieser Fläche mit geringer Krümmung bis zum Mündungsquerschnitt ausgeführt. Die durch eine derartige Ausbildung der Auspuffstutzen hervorgerufene Wirkung der Absenkung des statischen Druckes am Mündungsquerschnitt gegenüber dem statischen Druck am Außendurchmesser der Sammelleitung kann weiter verbessert werden durch die Anbringung eines in der Sammelleitung angeordneten, vor der Eintrittsmündung beginnenden und sich annähernd über 1/s des Umfangs erstreckenden Leitblechs mit schwacher Krümmung bzw. durch die an sich bekannte Anordnung der Mündungsstellen der Verbindungsstutzen in einem Abstand von annähernd 1/z bis 1/s des Radius von der Mantelfläche der Sammelleitung. Eine weitere Vergrößerung des Spülgefälles wird dadurch erreicht, daß der Querschnitt des Auspuffkanals gleich nach dem Ventilsitz oder Schlitz beginnend bis zum Mündungsquerschnitt des Verbindungsstutzens in die Sammelleitung entweder nur verringert oder nur vergrößert wird. Auf diese Weise wird vor allem eine mehrmalige Erzeugung von kinetischer aus statischer Energie mit anschließender schlechter Rückumsetzung oder Verwirbelung verhindert und die Möglichkeit geschaffen, bei entsprechend bemessenen Brennkraftmaschinen durch Ausführung des Auspuffkanals als Überschalldüse auch überkritische Geschwindigkeiten an der Einmündungsstelle des Auspuffstutzens in die Auspuffsammelleitung zu erzeugen.
.In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Auspuffleitung mit dem Verbindungsstutzen zum Zylinderdeckel, Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 und 4 andere Ausführungsformen, Fig. 5 einen Schnitt nach Linie V-V der Fig. 4, Fig. 6 einen Schnitt durch den Verbindungsstutzen, beginnend am Auslaßventil bis zum Eintritt in die Sammelleitung.
In der Zeichnung ist mit 1 die Auspuffleitung einer mehrzylindrigen Reihenbrennkraftmaschine bezeichnet, die kreisförmigen Querschnitt aufweist. In dieselbe münden in bekannter Weise die Verbindungsstutzen 2 der einzelnen Zvlinder. Diese sind im wesentlichen tangential in die Sammelleitung eingeführt, wie aus den Fig. 1, 3 und 4 ersichtlich ist. Erfindungsgemäß wird nun durch eine besondere Ausbildung des Stutzens innerhalb der Sammelleitung die Drallenergie bereits in der Ebene des Verbindungsstutzens ausgenutzt und zur Vergrößerung des Spülgefälles herangezogen. Zu diesem Zweck wird die der Sammelleitungsachse zugewendete Fläche 3 des vorzugsweise flach rechteckig aus= gebildeten Verbindungsstutzens 2 an der Durchdringungsstelle 4 mit der Außenwand der Sammelleitung 1 in einer derartigen Neigung angeordnet, daß eine starke Krümmung der Stromlinien 5 hervorgerufen wird. Die Fläche 3 weist in ihrem weiteren Verlauf bis zum Mündungsquerschnitt eine schwächere Krümmung auf und erstreckt sich bis annähernd an die senkrechte Mittelebene, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist. Durch diese Maßnahme werden die Stromlinien der vorwiegend rotierenden Strömung derart abgebogen, daß am Mündungsquerschnitt 6 des Verbindungsstutzens am Sammelrohr der statische Druck von der Auspuffrohrmitte nach außen möglichst wenig zunimmt, d. h. die Stromlinien dort örtlich wenig Krümmung aufweisen.
Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, werden die der Abgasturbine zugewandten Seitenflächen 7 des Verbindungsstutzens 2 innerhalb der Sammelleitung gekrümmt ausgebildet. Es ist dabei vorteilhaft, den Querschnitt der Mündungsstelle 6 des Verbindungsstutzens vorzugsweise in Form eines flach liegenden Rechteckes auszubilden.
Nach Fig. 3 ist innerhalb der Sammelleitung 1 in der Nähe des Mündungsquerschnittes 6 der Verbindungsstutzen 2 ein Leitblech 9 vorgesehen, welches die Krümmung der Stromlinien weiterhin derart beeinflußt, daß der statische Druck am Mündungsquerschnitt 6 von der Auspuffrohrmitte nach außen örtlich möglichst wenig zunimmt. Die vom Vorauspuffstoß her vorhandenen Gasteile mit hoher kinetischer Energie ermöglichen außerdem vorwiegend während der Nachauspuff- und Spülperiode durch Strahlpumpenwirkung eine weitere Absenkung des statischen Druckes am Mündungsquerschnitt 6.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 ist der Mündungsquerschnitt 6 weiter gegeg die Achse des Sarhmelrohres 1 hin im Abstand von der Mantelfläche angeordnet. Die weit über die Mitte vorgezogene, dem Mantel zugewendete Fläche 10 dient dabei zur besseren Umlenkung des Gases in Ümfangsrichtung. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Raum zwischen dem Blech 10 und der Auspuffrohrwand 1 von rotierendem Gas beaufschlagt wird, was durch entsprechende Formgebung der Auspuffstutzen2 und durch Verkleidung zu erreichen ist. Durch den Eintritt des Gases auf kleinerem Radius als dem Außenradius der Auspuffsammelleitung tritt sofort nach Verlassen des Abgasstutzens im Gas nach außen eine Druckzunahme durch Geschwindigkeitsumsetzung auf. Besonders während des Spülvorganges wird daher durch die rotierenden Gasmassen der Auspuffperiode die Hauptdruckerhöhung und das axiale Abströmen an der Wand der Auspuffleitung erfolgen und der Druck im Inneren der Auspuffleitung demgegenüber verhältnismäßig stark abgesenkt werden, wodurch das Spülgefälle erhöht wird. Durch die Umsetzung eines Teils der kinetischen Energie in Druckenergie gleich nach Verlassen des Abgasstutzens werden außerdem die auftretenden Reibungsverluste trotz der größeren Einbauten herabgesetzt.
Aus der Fig. 5 ist die Ausbildung der Verbindungsstutzen im Querschnitt ersichtlich. Während außerhalb des Sammelrohrs der Stutzenquerschnitt vorzugsweise in Form eines hoch schräggestellten flachen Rechtecks verläuft, ist der Querschnitt innerhalb des Sammelrohres annähernd um 70 bis 90° verdreht und weist die Form eines flach liegenden Rechtecks auf, wodurch der Raum zwischen Blech 10 und Auspuffrohrwand 1 von rotierenden Gasen gut ausgefüllt werden kann.
Die durch die erfindungsgemäß beschriebene Ausbildung der Verbindungsstutzen innerhalb des Sammelrohres hervorgerufene Wirkung kann zusätzlich wesentlich beeinflußt-werden durch die Ausbildung der Verbindungsstutzen zwischen Sammelrohr und Zylinderdeckelflansch bzw. durch die Formgebung des Auspuffkanals im Zylinderdeckel. Demnach ist es vorteilhaft, wie aus Fig. 6 hervorgeht, wenn der Auspuffkanal 12 im Zylinderdecke113 derart ausgebildet ist, daß im effektiven Ventilquerschnitt, welcher je nach der Öffnung des Ventils annähernd im Bereich vom Ventilsitz bis zum Querschnitt 14 liegt, die Gase in ihrer Geschwindigkeit nicht durch Verwirbelung beeinflußt werden. Der Querschnitt bis zur Stelle 14 ist dabei so ausgebildet, daß bei 80 bis 100% der vollen Ventilöffnung noch keine wesentlichen Ablöseerscheinungen der Gase von der Kanalwand an dieser Stelle auftreten, aber auch keine wesentliche Beschleunigung der Gase stattfindet und die Ventileinbauten (Ventilschaft mit Führung) hauptsächlich seitlich umströmt und überhaupt nicht oder nur in sehr spitzem Winkel angeströmt werden. Bei einem Motor mit überkritischer Geschwindigkeit der Auspuffgase am Mündungsquerschnitt 6 des Austrittsstutzens wird der Querschnitt des Auslaßkanals im Zylinderdeckel vorteilhaft vom Querschnitt 14 ab bis zum Mündungsquerschnitt 6 nur entsprechend einer Überschalldüse erweitert. Durch diese Formgebung wird während des Vorauspuffes überkritische Geschwindigkeit am Querschnitt 6 erzeugt und während des Nachauspuffs und Spülvorgangs durch Diffusorwirkung die Spülung verbessert. Bei normalen Brennkraftmaschinen mit einer geringeren Gasgeschwindigkeit am Mündungsquerschnitt 6 wird der Querschnitt des Auspuffkanals auf der Strecke vom Ouerschnitt 14 bis zum Mündungsquerschnitt 6 entsprechend einer Unterschalldüse verengt ausgeführt. Dadurch wird die kinetische Energie der Strömung erhöht, gleichzeitig ist aber auch der Druck während der Spülperiode nach dem Ventil im Querschnitt 14 höher als im Querschnitt 6. Bei schlitzgesteuerten Auslaßkanälen werden die Auslaßkanäle ebenfalls derart ausgebildet, daß die einmal erzeugten Geschwindigkeiten nach Möglichkeit nicht vernichtet oder mit schlechtem Wirkungsgrad in Druck rückumgesetzt werden. Die bisher übliche Ausführung der Auslaßkanäle, welche nach den Ventilsitzen oder den Schlitzen wesentliche Querschnittserweiterungen und am Mündungsquerschnitt 6 Verengungen aufweisen, bewirken stets eine mehrmalige Umsetzung von potentieller in kinetische Energie mit verlustreicher Rückumsetzung und sind deshalb nachteilig.
Der Querschnitt des Auslaßkanals vom Querschnitt 14 bis zum Mündungsquerschnitt 6 soll daher im wesentlichen nur Querschnittsveränderungen in einer Richtung aufweisen. Bei erweitertem Kanalquerschnitt soll demnach außer geringen Verengungen zur Strömungsgleichrichtung nach Krümmungen keine Verengung und bei gleichbleibendem oder verengtem Kanal keine Erweiterung vorhanden sein. Durch diese Maßnahmen können die Auslaßkanäle bedeutend enger als bisher üblich ausgebildet werden. Es ist dabei auch zweckmäßig, zum Vermeiden vonVerlusten dieVerbindungsstutzen so kurz als möglich auszubilden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Brennkraftmaschine mit Abga:sturboaufladung, bei der die Abgase der einzelnen Zylinder durch Verbindungsstutzen derart in eine Auspuffsammelleitung eingeführt werden, daß in dieser eine starke Drallströmung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstutzen (2) bei zur Mündung hin innerhalb der Sammelleitung abnehmender Höhe des Stutzenquerschnittes annähernd bis zur dazu senkrechten Mittelebene der Sammelleitung (1) vorgezogen sind - wie beides an sich bei Schalldämpfern bekannt ist - und daß die Breite des Stutzenquerschnittes - gemessen parallel zur Sammelleitungsachse - gegen den Mündungsquerschnitt (6) hin zunimmt. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungsquerschnitte (6) parallel zu der zu den Verbindungsstutzen senkrechten Mittelebene der Sammelleitung (1) und in Strömungsrichtung versetzt zu den Achsen der Verbindungsstutzen angeordnet sind. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Abgasturbine zugewendeten Seitenflächen (7) der Verbindungsstutzen (2) innerhalb der Sammelleitung (1) bogenförmig in Richtung der Turbine gekrümmt sind. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Mündungsquerschnitten (6) der Verbindungsstutzen (2) in Richtung zur Achse der Sammelleitung ein Leitblech (9) mit schwacher Krümmung vorgesehen ist, welches vor der Eintrittsmündung beginnt und sich annähernd über 1/s des Umfangs erstreckt. 5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstutzen (2) in an sich bekannter Weise annähernd im Abstand von 1/z bis 1/s des Sammelleitungsradius von deren Mantelfläche (1) aus münden. 6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der Mantelfläche (1) zugewandte Fläche (1Q) des Verbindungsstutzens (2) um 30 bis 60° gegenüber der anderen Kante des Mündungsquerschnitts (6) vorgezogen und gekrümmt ausgebildet ist. 7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchdringungsquerschnitt der Verbindungsstutzen (2) mit der Sammelleitung (1) vorzugsweise in Form eines hochschräggestellten flachen Rechtecks ausgebildet und gegen den in Form eines flachliegenden Rechtecks ausgebildeten Mündungsquerschnitts (6) um 70 bis 90° verdreht ist. B. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche von der Mündungsstelle (6) der Verbindungsstutzen (2) bis zum Austrittsquerschnitt (14) im Verbrennungszylinder im wesentlichen nur zu-oder abnimmt. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Zusatzpatentschrift Nr. 46 894 Nr. 776 345; britische Patentschrift Nr. 563 955.