CH659853A5

CH659853A5 - Abgasleitungssystem zwischen einer nach dem stauprinzip aufgeladenen, mehrzylindrigen brennkraftmaschine und einem abgasturbolader.

Info

Publication number: CH659853A5
Application number: CH3338/82A
Authority: CH
Inventors: Josef Zatecky
Original assignee: Maschf Augsburg Nuernberg Ag
Priority date: 1981-05-29
Filing date: 1982-05-28
Publication date: 1987-02-27
Also published as: FR2506837B1; ES8303605A1; DE3121341A1; ES512274A0; JPH0419369B2; FR2506837A1; JPS57200617A; DE3121341C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasleitungssystem zwischen einer nach dem Stauprinzip aufgeladenen, mehrzylindrigen Brennkraftmaschine und einem Abgasturbolader, wobei die zylinderkopfseitigen Abgasauslässe der Brennkraftmaschine

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über gekrümmte Verbindungskanäle mit einer an die Turbine des Abgasturboladers angeschlossenen Abgassammelleitung verbunden sind.

Bei der Stauaufladung einer Brennkraftmaschine wird das s Abgas aller Zylinder in ein gemeinsames, grossvolumiges Abgassammeirohr überführt und von dort unter annähernd konstantem Druck der Turbine des Abgasturboladers zugeleitet. Die potentielle Energie des Abgases, die am Ende jedes Arbeitstaktes im Zylinder enthalten ist, wird dabei durch io Beschleunigung in den Auslassventilen teilweise in kinetische Energie umgesetzt, die dann aber durch Verwirbelung beim Übergang ins Abgasleitungssystem grösstenteils wieder verlorengeht. Der Verlust an potentieller Abgasenergie beträgt dabei zwischen 20 und 45%.

15 Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Abgasleitungssystem der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, dass das Energieangebot an der Turbine des Abgasturboladers vergrösserbar ist, d.h. die kinetische Energie des Abgases soll möglichst verlustarm in einen höheren als mit bisher 20 bekannten Mitteln erreichbaren statischen Druck umgewandelt werden können, ausserdem soll das zu schaffende Abgasleitungssystem kostengünstiger als bekannte Abgasleitungssysteme herstellbar sein und darüber hinaus auch weniger Platz am Motor beanspruchen.

25 Diese Aufgabe ist bei einem Abgasleitungssystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäss durch die Kombination folgender Merkmale entsprechend dem Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst, nämlich

- die Verbindungskanäle besehen jeweils aus einem zylin-3o derkopfseitig abgehenden, gekrümmten Teilstück, das sich in

Form eines Diffusore fortsetzt, der sich auf den Durchmesser der Abgassammelleitung erweitert, in letztere mit kreisförmigem oder ovalem Querschnitt sowie mit einer Neigung seiner Achse von etwa 45° zu deren Längsachse einmündet und auf 35 seiner Druckseite ein geradlinig in die Abgassammelleitung einlaufendes Teilstück aufweist,

- der Durchmesser DAL der Abgassammelleitung gehorcht nachstehender Gleichung,

YEZ3TZZT

AC = ir -

45 wobei mit VH das Hubvolumen eines Zylinders der Brennkraftmaschine, mit i die Anzahl der an die Abgassammelleitung angeschlossenen Zylinder und mit 1AL die Länge der Abgassammelleitung bezeichnet sind,

- die Abgassammelleitung ist über einen Doppeldiffusor 50 an den Turbineneintritt des Abgasturboladers angeschlossen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung des Abgasleitungssystems wird die kinetische Energie des aus den 55 Zylindern ausströmenden Abgases stufenweise in statischen Druck umgewandelt. Das aus dem zylinderkopfseitigen Abgaskanal in einen der Verbindungskanäle einströmende Abgas wird in dem sich an das gekrümmte Teilstück anschlie-r senden Diffusor verzögert und gleichzeitig infolge der 60 Schrägstellung des Diffusore in Richtung zum Abgasturbolader umgelenkt. Die kinetische Energie des Abgases wid dabei teilweise in statischen Druck umgewandelt und teilweise an das im Abgassammeirohr vorhandene Abgas weitergegeben. Ein weiterer Teil der kinetischen Energie des ausströmenden 65 Abgases wird durch die erfindungsgemässe Anordnung eines Doppeldiffusors am Übergang von der Abgassammelleitung zum Turbineneintritt ebenfalls in vorteilhafter Weise in statischen Druck umgewandelt. Durch die erfindungsgemässe

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Abgasführung ist mithin eine wesentlich höhere Arbeitsfähigkeit der aus den Zylindern austretenden Abgase gegeben, als dies bei bisher bekannten Systemen möglich war. Dadurch, dass der Durchmesser der Abgassammelleitung auf das Hubvolumen der Zylinder der Brennkraftmaschine abgestellt ist, ist eine gegenüber bekannten Abgassammelleitungen wesentlich volumenkleinere Abgassammelleitung erzielbar, die an der Brennkraftmaschine auch weniger Raum beansprucht. Das erfindungsgemässe Abgasleitungssystem ist insgesamt gesehen auch billiger als bekannte Abgasleitungssysteme herstellbar, letzteres aufgrund der volumenkleineren Abgassammelleitung und wegen kleinerer Zubehörteile, wie beispielsweise die erforderlichen, jedoch kleineren Dilatationskom-pensatoren.

Nachstehend sind das erfindungsgemässe Abgasleitungssystem sowie weitere Vorteile desselben anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemässen Abgasleitungssystemes,

Fig. 2 einen Schnitt durch das Abgasleitungssystem gemäss Fig. 1 entlang der dort eingetragenen Schnittlinie II-II,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Abgasleitungssystem entlang der in Fig. 2 eingetragenen Schnittlinie III-III,

Fig. 4 einen Schnitt durch das Abgasleitungssystem entlang der in Fig. 2 eingetragenen Schnittlinie IV-IV.

Das in den Figuren dargestellte Abgasleitungssystem erstreckt sich zwischen einer nach dem Stauprinzip aufgeladenen, nicht dargestellten mehrzylindrigen Brennkraftmaschine und einem ebenfalls nicht dargestellten, seinem Aufbau nach an sich bekannten Abgasturbolader. Die zylinderkopfseitigen Abgasauslässe der Brennkraftmaschine sind über gekrümmte Verbindungskanäle 1 mit einer an den Turbineneintritt 2 der Turbine des Abgasturboladers angeschlossenen Abgassammelleitung 3 verbunden.

Erfindungsgemäss bestehen die Verbindungskanäle 1 jeweils aus einem zylinderkopfseitig abgehenden, gekrümmten Teilstück 4, das sich in Form eines Diffusors 5 fortsetzt. Der Gaseintrittsquerschnitt jedes gekrümmten Teilstückes 4 ist vornehmlich kreisrund und an den Durchmesser der zylinderkopfseitigen Abgasauslässe angepasst ausgebildet. Jeder sich daran anschliessende Diffusor 5 erweitert sich erfindungsgemäss auf den Durchmesser DAL der Abgassammelleitung 3 und mündet in letztere mit kreisförmigem oder ovalem oder ähnlichem Querschnitt sowie mit einer Neigung a seiner Achse 6 von etwa 45° zur Längsachse 7 der Abgassammelleitung 3 in diese ein. Der in Fig. 2 zwischen der Achse 6 jedes Diffusors und der Achse 7 der Abgassammelleitung eingeschlossene Neigungswinkel a muss jedoch nicht notwendigerweise exakt 45° betragen, sondern kann auch um einige Grade darunter oder darüber betragen.

Darüber hinaus besitzt jeder Diffusor 5 auf seiner Druckseite, das ist die dem Abgasturbolader jeweils abgewandte Seite, ein geradlinig in die Abgassammelleitung 3 einlaufendes Teilstück 8. Dieses geradlinige Teilstück 8 jedes Diffusors 5, das sich zwischen dem gekrümmten Teilstück 4 jedes Ver-bindungskanales und der Einmündungsstelle des Diffusors 5 in die Abgassammelleitung 3 erstreckt, besitzt in vorteilhafter Weise eine Länge von mindestens dem 0,3fachen des Durchmessers Dal der Abgassammelleitung 3.

Der Durchmesser DAL der Abgassammelleitung 3 gehorcht erfindungsgemäss nachstehener Gleichung, nämlich dal=

wobei mit VH das Hubvolumen eines Zylinders der Brennkraftmaschine, mit i die Anzahl der an die Abgassammelleitung 3 angeschlossenen Zylinder und mit 1AL die Länge der Abgassammelleitung 3 bezeichnet sind.

Darüber hinaus ist entsprechend einem weiteren Kombinationsmerkmal der Erfindung die Abgassammelleitung 3 über einen Doppeldiffusor 9 an den Turbineneintritt 2 des Abgasturboladers angeschlossen. Letzterer bildet dabei den Übergang von der Abgassammelleitung 3 zum Turbineneintritt 2. In vorteilhafter Weise besitzt dabei das äussere Diffusorrohr 10 des Doppeldiffusors 9 einen grösseren Öffnungswinkel als das darin konzentrisch angeordnete Diffusorrohr 12 und ist mit seinem turbinenseitigen Austrittsquerschnitt an den Querschnitt des Turbineneintritts 2 angepasst. Das innere Diffusorrohr ist im gezeigten Ausführungsbeispiel über Streben 11 innerhalb des äusseren Diffusorrohres gehaltert. Das innere Diffusorrohr 12 kann alernativ hierzu jedoch auch über einen eigenen Flansch und Streben zwischen Turbinengehäuse und Diffusorrohr 10 eingespannt sein.

Die einen runden Abgasquerschnitt aufweisende Abgassammelleitung 3 ist in vorteilhafter Weise aus mehreren, wärmeelastisch nachgiebig miteinander verbundenen und gegeneinander abgedichteten sowie wenigstens einen Verbindungskanal 1 tragenden Leitungsstücken 13 zusammengesetzt.

Diese einzelnen Leitungsstücke 13 sowie der Doppeldiffusor 9 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel miteinander über Dilatationskompensatoren 14 verbunden, so dass eine hinreichende Wärmeausdehnung dieser Teile bei Aufheizung durch die Abgase gewährleistet ist. Es könnten jedoch auch andere Verbindungen verwendet werden. In vorteilhafter Weise sind ferner die einzelnen Leitungsstücke 13 der Abgassammelleitung 3 zusammen mit den in sie einmündenden Verbindungskanälen 1 sowie gegebenenfalls auch der Doppeldiffusor 9 jeweils einstückig durch Giessen hergestellt.

Der Doppeldiffusor 9 besitzt an seinem turbinenseitigen Ende einen Befestigungsfiansch 15, mit dem er direkt - oder unter Zwischenschaltung eines weiteren Dilatationskompen-sators - am Turbinengehäuse des Abgasturboladers festgelegt ist; darüber hinaus besitzt auch jeder der Verbindungskanäle 1 einen Befestigungsflansch 16, über den der jeweilige Verbindungskanal 1 mittels Schrauben am zugehörigen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine festgelegt ist.

Beim Eintritt des Abgases in die Verbindungskanäle 1 wird dieses zunächst im jeweiligen gekrümmten Teilstück 4 partiell in eine neue Richtung umgelenkt, dann innerhalb jedes Diffusors 5 an dessen geradem Teilstück 8 stabilisiert und mit teilweisem Druckrückgewinn in die Abgassammelleitung 3 an das dort bereits vorhandene Abgas eingeleitet. Durch den Sachverhalt, dass die erfindungsgemässe Abgassammelleitung 3 einen kleineren Strömungsquerschnitt als bislang bekannte Abgassammelleitungen besitzt, ist in der erfindungsgemässen Abgassammelleitung eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Abgases gewährleistet. Ein weiterer Druckrückgewinn ist durch den Doppeldiffusor am turbi-neneintrittsseitigen Ende der Abgassammelleitung gegeben. Das erfindungsgemäss ausgestaltete Abgasleitungssystem gewährleistet ein Betreiben des Abgasturboladers mit einem grösseren Energieangebot und ruft insbesondere auch ein günstiges Teillastverhalten sowie ein besseres Beschleunigungsverhalten hervor.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

659 853 PATENTANSPRÜCHE

1. Abgasleitungssystem zwischen einer nach dem Stauprinzip aufgeladenen, mehrzylindrigen Brennkraftmaschine und einem Abgasturbolader, wobei die zylinderkopfseitigen Abgasauslässe der Brennkraftmaschine über gekrümmte Ver-bindungskanäle mit einer an die Turbine des Abgasturboladers angeschlossenen Abgassammelleitung verbunden sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale

- die Verbindungskanäle (1) bestehen jeweils aus einem zylinderkopfseitig abgehenden, gekrümmten Teilstück (4), das sich in Form eines Diffusore (5) fortsetzt, der sich auf den Durchmesser DAL der Abgassammelleitung (3) erweitert, in letztere mit kreisförmigem oder ovalem Querschnitt sowie mit einer Neigung (a) seiner Achse (6) von etwa 45° zu deren Längsachse (7) einmündet und auf seiner Druckseite ein geradlinig in die Abgassammelleitung (3) einlaufendes Teilstück aufweist,

- der Durchmesser DAL der Abgassammelleitung (3) gehorcht nachstehender Gleichung,

dal= 1/ZZ3ZZ A I r ■

wobei mit VH das Hubvolumen eines Zylinders der Brennkraftmaschine, mit i die Anzahl der an die Abgassammelleitung (3) angeschlossenen Zylinder und mit 1AL die Länge der Abgassammelleitung (3) bezeichnet sind,

- die Abgassammelleitung (3) ist über einen Doppeldiffu-sor (9) an den Turbineneintritt (2) des Abgasturboladers angeschlossen.

2. Abgasleitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geradlinige Teilstück (8) jedes Diffusore (5) eine Länge von mindestens dem 0,3fachen des Durchmessers DAL der Abgassammelleitung (3) besitzt.

3. Abgasleitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgassammelleitung (3) aus mehreren, wärmeelastisch nachgiebig miteinander verbundenen, gegeneinander abgedichteten und wenigstens einen Verbindungskanal (1) tragenden Leitungsstücken (13) zusammengesetzt ist.

4. Abgasleitungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Leitungsstücke (13) der Abgassammelleitung (3) zusammen mit den in sie einmündenden Verbindungskanälen (1), gegebenenfalls auch der Dop-peldiffusor (9) jeweils einstückig durch Giessen hergestellt sind.

5. Abgasleitungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (1) an den jeweiligen Zylinderköpfen der Maschine angeflanscht und mittels Schrauben am jeweiligen Verbindungsort festgelegt sind.

6. Abgasleitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das äussere Diffusorrohr (10) des Dop-peldiffusors (9) einen grösseren Öffnungswinkel als das darin konzentrisch mittels Streben (11) gehaltene innere Diffusorrohr (12) besitzt und mit seinem turbinenseitigen Austrittsquerschnitt an den Querschnitt des Turbineneintritts (2) ange-passt ist.