DE2802515A1

DE2802515A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbesserung der stroemung der gase in dem auspuffsammelrohr einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2802515A1
Application number: DE19782802515
Authority: DE
Inventors: Remi Curtil
Original assignee: Societe dEtudes de Machines Thermiques SEMT SA
Current assignee: MAN Energy Solutions France SAS
Priority date: 1977-01-24
Filing date: 1978-01-20
Publication date: 1978-07-27
Anticipated expiration: 1998-01-21
Also published as: IT7846807A0; CS232701B2; AU524965B2; PL118605B1; DK147501B; IN149459B; NL7800860A; NO780238L; JPS5947129B2; YU14078A; YU43206B; FI780227A; SE434866B; JPS5395423A; AU3263078A; BR7800395A; NO151600C; IT1104392B; SE7800785L; DK35078A

Description

SOCIETE D¹ETUDES DE MACHINES THERMIQUES - S.E. M. T. -

2, Quai de Seine

93202 SAINT-DENIS, Frankreich

"Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Strömung der Gase in dem Auspuffsammeirohr einer Brennkraftmaschine".

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Strömung der Gase in dem Auspuffsammeirohr einer Brennkraftmaschine und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dampfung der Druckschwankungen
in dem mehreren, vorzugsweise vier bis zehn Zylindern je Zylinderreihe zugeordneten Auspuffsammeirohr einer zum Beispiel aufgeladenen Brennkraf tma s chine.

Man mochte vorher die verschiedenen Aus puff sy sterne einer Brennkraftmaschine mit einer Vorverdichtungsstufe, die durch einen mit den
Auspuffgasen gespeisten Turbokompresdor gebildet ist, erwähnen. Es
handelt sich um folgende Systeme :

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- die Auspuffsysteme durch Druckwellen,

- die Auspuff sy stomc mit einem im wesentlichen konstanten Druck,

- die Aus puff sy steine mit einem Impuls umformer. '

In einem Auspuffsystem, welches durch die Druckwellen betrieben wird, besitzt der Motor fur eine und dieselbe Zy linder reihe mehrer Auspuffsammeiröhre mit mehreren Turbineneingangen. Mit einer derartigen Aufladung kann man im Laufe der Förderung der Gase von den Zylindern zu der Turbine ein Minimum an Energieverluste mit einer einwandfreien Spülung der Zylinder vereinigen, was für alle Lastbereiche und insbesondere für die geringen Lastbcreiche von Vorteil ist. Dagegen wird die Energie der Turbine stossweise zugeführt, so dass deren Leistung dadurch, dass die Turbine nur teilweise versorgt wird, entsprechend geringer wird.

Im Gegensatz dazu ist in einem Auspuffsystem mit konstantem Druck der Motor mit einem einzigen Sammelrohr für mindestens eine Zylinderreihe versehen, so dass bei der Verwertung der Energie der Auspuffgase in der Turbine eine optimale Ausbeute erzielt wird ; man muss jedoch im Laufe der Förderung der Energie bedeutende Verluste sowie eine begrenzte Spülung der Zylinder in Kauf nehmen, wobei diese Erscheinungen insbesondere zu den Teillastbereichen besonders spürbar und ungünstig sind.

In einem Auspuff sys tem mit einem Impuls umwand ler besitzt der Motor mehrere Auspuffsammeiröhre, die über Strahldüsen in ein Mischrohr munden, welches vor dem Turbineneingang mit einem zwischengeschalteten Diffusor in Verbindung steht. Ein derartiges System ermöglicht die einwandfreie Versorgung der Turbine, ohne dass die Spülung der Zylinder zu sehr beeinträchtigt wird. Dieses Auspuffsystem, stellt eine rechte Lösung im Vergleich zu beiden vorgenannten Systemen dar und ist jedoch dadurch nachteilig, dass im Laufe der Förderung der Auspuffgase Energie Verluste erscheinen. Ein * derartiges System ist jedoch mit den gleichen Problemen bezüglich der Reflektion der Wellen wie die Auspuffsysteme, die mit Druckwellen betrieben werden, behaftet, da die zubestimmende Querschnittsverringerung der jeweiligen am turbinenseitigen Ende eines jeden Sammelrohres angeordneten

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Strahldüsen zur gegenseitigen Isolierung der jeweiligen Sammelrohre zur Entstehung von reflektierten Wellen führt, welche insbesondere die Entleerung der entferntesten Zylinder stören. So bringt ein derartiges System im Vergleich zu einem Auspuffsammeirohr mit konstantem Druck kein Vorteil zu den geringen Lastbereichen und daher bei der Beschleunigung. Daneben kann in einem derartigen Auspuff sy stern die Anbringung des zwischengeschalteten Diffusors wegen Platzmangel mit Schwierigkeiten verbunden sein.

Man hat demzufolge versucht, die Strömung der Gase in dem Auspuffsammeirohr mit im wesentlichen konstantem Druck einer aufgeladenen Brennkraftmaschine dadurch zu verbessern, dass in Hohe der Einmündung einer jeden Leitung, die zum Anschluss an die Zylinderköpfe der zugeordneten Zylinder dienen, mit dem für mindestens eine Zylinderreihe einzig vorhandenei Auspuffsammeirohr ein Ausstosseffekt geschaffen wird. Zu diesem Zweck ist jede Anschlus»leitung so ausgelegt, dass die axiale Geschwindigkeit der Gase in dem Auspuffsammeirohr und die Geschwindigkeit der Gase in dieser Leitung im Bereich des Zusammenflusses beider Rohre im wesentlichen gleichgerichtet sind, wie das zum Beispiel in dem amerikanischen Patent Nr. 3. 380.246 beschrieben ist.

Um die Ladeverluste sowie das Abreissen des Gasesstrahles in den An Schluss leitungen möglichst gering zu halten, ist es in der vorgenannten Lösung vorgesehen, dass jede Rohrleitung im Querschnitt eine Flache aufweist, die in der Strömungsrichtung de Gase kontinuierlich abnimmt.

Man möchte jedoch bemerken, dass diese kontinuierliche Verringerung der Querschnittsflache einer jeden Rohrleitung schliesslich zu einer verhältnismassig grossen Lange der Anschluss leitungen führt.

In den grossen Motoren stellt der Einsatz eines einzigen Sammelrohres je Zylinderreihe verschiedene Probleme bezüglich der Abstutzung des Sammelrohrcs, der fluchtrechten Anbringung der verschiedenen über Dehnungsbälge miteinander verbundenen Rohrabschnitten sowie der axialen

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Verschiebung dessclbens uriLer der Wirkung der Wärmebeanspruchungen, obwohl im Vergleich zu einem mehrfachen Auspuffsammeirohr wesentliche Vorteile bezuglich des Platzbedarfes erzielt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu beheben und ein Auspuffs ystem v.u schaffen, welches von der Anzahl der Zylinder unabhängig ist, wobei die Vorteile eines Auspuffsammeirohres mit Druckwellen sowie diejenigen eines herkömmlichen Auspuffsammeirohres mit im wesentlichen konstantem Druck miteinander vereinigt werden.

Zu diesem Zweck schlagt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Dämpfung der Druckschwankungen in dem mehreren, vorzugsweise vier bis zehn Zylindern je Zylinderreihe zugeordneten Aus puff sammclrohr einer zum. Beispiel aufgeladenen Brennkraftmaschine, mit einem Stosseffekt der sich beim Einlass der Auspuffgase in das Auspuffsammeirohr einstellt, vor, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es darin besteht, bei der Öffnung des Auspuff ventile s bis in unmittelbarer Nahe des oberen Totpunktes des Kolbens eine maximale Menge der potentiellen restlichen Energie der Gase des Zylinders am Ende des Durchflusses derselben in die Verbindungsleitung etwa am Ende des Entspannungstaktes zu behalten und demzufolge die Entropie steige rung in der Weise zu verringern, dass die Strömung der Gase in engster oder unmittelbarer Nahe des Auslasses des Zylinders gedrosselt wird ; und dann die Ausstosswirkung dadurch zu erhöhen, dass die Strömung der Gase in das Sammelrohr durch Umwandlung der Energie des Druckes in eine Energie, die den in dem Auspuffsammeirohr vorhandenen Gasen erteilt wird, beschleunigt wird, wobei dafür in letzterem der einheitliche Durchflussquerschnitt auf einen Wert, welcher geringer als die Abmessung der Zylinderbohrung ist, herabgesetzt wird, um fur die Gase die grösstmögliche Strömungsgeschwindigkeit dadurch zu erreichen, dass die potentielle Energie, die normalerweise be jedem Stoss der Gase zu einem Zeitpunkt, zu welchem die dem Kolben erteilte Entspannungsarbeit maximal und die durch den Kolben geleistete Verdrängunsarbeit minimal sind, verlorengeht, verwertet wird.

Zum Einsatz dieses Verfahrens schlagt die vorliegende Erfindung

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ebenfalls c;iti Auspuff».immelrohr vor, das dadurch gekennzeichnet ist, das · jede Anschlussleitung die Form einer Düse aufweist, deren Querschnittsflächen jewoila am KammelrohrseitißcMi Auslass und am zylinderseitigen» Einlass zu einander in einem Verhältnis.· liegen, welches zwischen 0, 3 und 0,8 und vorzugsweise zwischen 0, Ί und 0,5 liegt.

Gemass einem anderen Merkmal des erfindungsgemasi.en Auspuffsammeirohres liegt das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser des Auspuffsammeirohres und der Bohrung der Zylinder zwischen 0, 30 und 0,75.

Gemass noch einem Merkmal der vorliegenden Erfindung besitzt jede Anschlussleitung im Uereich ihre« Zusammenflusses mit dem Auspuffsammeirohr einen entweder ringförmigen, oder teilweise ringförmigen oder noch gesamten Durchflussquerschnitt.

Gemass einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist jede Anschlussleitung in ihrer Lange verkürzt, so dass jeder Samme!rohrabschnitt, im Falle eines Auspuffsammelrohres grösserer Lange, der einem Zylinder zugeordnet ist, unmittelbar durch den dem jeweiligen Zylinder zugeordneten Zylinderkopf starr getragen ist.

Gemass noch einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der letzte Auspuffsammelrohrabschnitt, vor dem Turbineneingang gesehen, mit einem Diffusor verbunden, wobei diese Anordnung durch die unterschiedlichen Durchmesser zwischen dem Aus puffs amme 1 rohr und der Turbine, die auf die Verringerung der Abmessungen des Sammelrohres zurückzuführen sind, vereinfacht wird.

Gemass noch einem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird zwischen der Auspufföffnung und dem unteren Totpunkt des Kolbens eines Zylinders der ursprungliche Gegendruck in jeder Anschlussleitung erhöht, so dass in vorteilhafter Weise die unvermeidbaren Verluste durch Walzung awische.i jedem Zylinder und jeder Anschlussleitung in Höhe der Durchführung des Auspuffventiles wesentlich geringer gehalten sind.

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Gemäss noch einem Merkmal eier vorliegenden Erfindung wird im Vergleich zu einem herkömmlichen Aui;puffi>aminelrohr die Temperatur dor Zylinderauslass-seitigen und Turbineneinlass-seitigen Auspuffgase von 3Q bis 40° herabgesetzt.

Gemäss noch einem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird im Vergleich zu einem herkömmlichen Auspuffsammei rohr die Temperatur der Auspuff ventile von etwa 50 bis 60" herabgesetzt.

Gemäss einem anderen kennzeichnenden Merkmal der vorliegenden Erfindung erzielt man eine bessere Entleerung, die daneben in allen Zylindern im wesentlichen gleich ist, so dass der spezifische Verbrauch des Motors, wenn kein Diffusor eingesetzt ist, von 2 bis 3 % und beim Einsatz eines Diffusors von 5 bis 6 % herabgesetzt werden kann.

Gemäss noch einem Merkmal der vorliegenden Erfindung kann durch den Einsatz eines Diffusors der mittlere statische Druck in dem Auspuffsammeirohr von etwa 10 % herabgesetzt werden, so dass die Zylinder noch besser entleert werden.

Gemäss noch einem Merkmal der vorliegenden Erfindung erzielt man eine bessere Spülung der Zylinder zu den Teillastbereichen und daher eine Fähigkeit zu den Lastaufnahmen, die mit derjenigen des Auspuffsammeirohres mit einem Impuls umformer vergleichbar und derjenigen des Auspuff sammel- rohres mit im wesentlichen konstantem Druck überlegen ist, wobei die Stauchungsgefahren dabei geringer sind.

Gemäss einem anderen Vorteil der vorliegenden Erfindung kann mit einem derartigen Auspuffsammeirohr das Turbogebläse bei hohreren Geschwindigkeiten eingesetzt werden.

Ge ma θ s einem weiteren vorteilhaften Merkmal der vorliegenden Erfindung ermöglicht der Einsatz von Dü:,en mit starker Querschnitts ve 7 ring- erung eine Verkürzung der Länge der Anschluss leitungen, so dass demzufolge

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die Ausstosswii-kuii|; i!er Gase bei ihrem Zusammenfluss in das Sammelrohr noch verbessert wird.

Gemass einem anderen Vorteil der vorliegenden Erfindung können durch die sl.irke Quc jk< hnillsverringerung der Düsen die Druckschwankungen, d^:· nach der Übertragung der kinetischen Energie der aus jeder Düse auslaufenden Gase zu den sich in dem Auspuffsammeirohr befindenden Gasen in letzleren erscheinen, gedampft werden.

Gemass noch einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Optiinisierung der Öffnung beim Auspuffvorgang dadurch möglich gemacht, dass alle Zylinder {ihnlieh entleert werden.

Gemass noch einem Merkmal der vorliegenden Erfindung sind im Falle eines in Abschnitten geteilten Auspuffsammelrohres grösserer Lange die jeder Anschlussleitung zugeordneten Rohrabschnitte vorzugsweise im wesentlichen identisch, so dass der Einsatz eines derartigen Auspuffsammelrohres erleichtert wird. Die Verringerung der Abmessungen der Anschlussleitungen sowie des Auspuffsammelrohres fuhren zu einem geringeren Platzbedarf sowie zu einer spürbaren Herabsetzung der Kosten.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in welcher anhand der beigefugten Zeichnungen verschiedene Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung erläutert werden.

In den Zeichnungen zeigen :

- Figur 1 einen Längsschnitt eines Teiles des erfindungsgemässen Auspuffsammelrohres, in welchem die Anschlussleitungen gemass einer ersten Ausfuhrungsart ausgebildet sind ;

- Figur 2 einen Schnitt gemass der Linie Π-ΙΙ der Figur 1 ;

- Figur 3 eine Teilseitenansicht eines erfindungsgemässen Auspuff-

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sammelrohren fur cine aufgeladene Ii rcntikraf Linas chine ;

- Figur ·1 eine Teilseitenansicht eines Sammelrohrabschnittes, in* welchem die Atiiichlu.s;;dü::on gornas:: einer zweiten Ausfuhrimgsn rt der Erfindung ausgeführt üind ;

- Figur 5 einen Längsschnitt eines Auspuffsammclrohrabschnittes

mit einer Anschlussleitung gemäss einer dritten Ausfülirungsart der Erfindung

- Figur 6 eine Ansicht eines Endes gemass dem Pfeil VI der Figur 5 zur Erläuterung des Anschlusses einer jeden Leitung an das Auspuffs-ammelrohr ;

- Figur 7 einen Schnitt gemäss der Linie VII-VII der Figur 5 ;

- Figur 8 eine Ansicht eines Endes im Bereich eines Auspuff Kamme 1-rohrabschnittes, wobei die Anschlussleitung gemass einer vierten Ausführung;; art der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist ;

- Figur 9 eine schematische Darste llung eines vereinfachten Auspuff sammelrohres ;

- Figur 10 einen schematischen Querschnitt einer verbesserten Ausfuhrungsart eines Sammelrohrabschnittes ;

- Figur 11 eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform eines Auspuffsammelrohrabschnitte s ;

- Figur 12 einen Querschnitt des genannten Abschnittes gemass der Linie XII-XII der Figur 11 ;

- Figur 13 einen Teilschnitt desselben Rohrabschnittes gemäss der Linie XIII-XIII der Figur 12 ;

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- Figur 14 eine graphische· Da rs I υ llung der verschiedenen Kurven, die die Kennlinien des Druckes in einem. Zylinder, des Druckes in der zugeordneten Anschluss rohrleitung, des Drucke:; zur Aufladungeines erfindungsgemässeti Auspuff sammelrohren, welches keinen Diffusor besitzt, in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens, die; in dem Zylinder entsprechend der jeweiligen Winkel der Kurbelwelle bestimmt ist, darstellt ;

- Figur 15 die gleichen Kurven wie in Figur 14, jedoch fur ein Auspuffsc'immelrohr mit Druckwellen ;

- Figur 16 eine graphische Darstellung des Niederdruckzyklus einer Brennkraftmaschine, die mit einem erfindungsgemässen Auspuffsammeirohr ausgerüstet ist, mit den Kennlinien der Kurven der Figur 14 ;

- Figur 17 eine graphische Darstellung des Niederdruckzyklus einer Brennkraftmaschine mit einem Auspuffsammeirohr mit Druckwellen, welches den Kennlinien der Figur 15 entspricht ;

- Figur 18 eine schematische Vorderansicht einer ersten Ausfuhrungsart einer Volute zum Anschluss de:; Auslasses des Aus puffs amme lrohres an die Vorverdichtutigsturbine ;

- Figur 19 einen schematischen Querschnitt der auf der Turbine eingebauten Volute ;

- Figur 20 eine abgewickelte Darstellung der in Figuren 18 und 19 gezeigten Volute ;

- Figur 21 schematisch eine weitere Ausfuhrungsvariante der genannten Anschlussvolute, die aus zwei voneinander isolierten, aneinander gelegten halben Voluten besteht ;

- Figur 22 eine abgewickelte schematische Darstellung der Volute der Figur 21 ;

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- Figur 23 schematisch eine weitere Ausfuhrungsvariante der Anschlussvolute, die axis zwei miteinander in Verbindung stehenden, aneinandc gelegten halben Voluten besteht ; ,

- Figur 24 eine abgewickelte scheiiiulische Darstellung der Volute der Figur 23 ;

- Figur 25 einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführung.'· art des Anschlusses zwischen dem Auslass des Auspuffsammeirohres und der Turbine ;

- Figur 26 einen schematischen Schnitt gemass der Iänie XVI-XVI der Figur 25.

Gemass der vorliegenden Erfindung geht man von einer Brennkraftmaschine aus, die für mindestens eine Zylinderreihe mit einem einzigen Auspuffsammeirohr ausgerüstet ist und durch einen Auspuffgas-Turbokompresisaufgeladen wird.

Wie es die Figuren 1 bis 3 zeigen, umfasst gemass einer ersten Ausfuhrungsart der Erfindung das Auspuffsammeirohr 1 zum Beispiel mehrere Rohrabschnitte 2, die mit Ausnahme des er.sten nicht dargestellten Abschnittes, der am gegenüberliegenden Ende des Turbogeblases 3 eingebaut und mit einem Verschlussdeckel versehen ist, identische sind. Zwischen dem letzten Abschnitt 2 und dem Turbogeblase 3 ist ein Anschlussstück 4 vorgesehen, welches vorzugsweise aus einem Diffusor besteht, der mit Rücksicht auf den mit einem erfindungsgemassen Auspuffsammeirohr erzielten geringeren Platzbedarf Überhaupt ohne Schwierigkeit eingebaut werden kann. Die verschiedenen Abschnitte 2 des Auspuffsammeirohres, wobei jeweils je Zylinder ein derartiger Abschnitt vorgesehen ist, sind in axialer Richtung fluchtrecht angeordnet und paarweise über Segmentbüchsen 5 oder herkömmliche Dehnungsbalge miteinander verbunden.

Jeder Sammelrohrabschnitt 2 umfasst ein Hauptrohr 6, welches an

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einem Ende mit einen» Vc■ rhnidungsflaiirii h 7, /um Beispiel auf der dein Turbogebluse 3 abgewandten Seile, endet.

Im Be ic ic Ii eines jeden Absc:hnitlesj L de:,· Auspuffs;ammelrohres ist dem Zylinde i-l tipi '.) des; zugeordneten Zylinders eine Alischlussleitung 8 zugeordnet. Jede Anüchlu: ^leitung 8 bestellt aus einem zylinderformigen Element 10, weit he:; au:>:;ei halb des Haupt roh reis 6 im Bereich dessen dem jeweiligen Vorhindungsflaniich 7 abgewandten Endes konzentrisch zu dem genannten Haupt rohr 6 eingebaut ist. Insbesondere ist die dem Verbindungsflansch 7 des Haupt rohren f> zugewandte Endfläche dieses zylinderformigen Elemente!¹ 10 mit dem Ilaupirohr 6 verbunden, wahrend dessen andere Endfläche frei f;cl.ivcn i:;[ und sich etwas über die freit; Endfläche des Rohres hinaus erstreckt. In da:; zylinderformige Element 10, und zwar senkrecht zu dessen Ach.'u mundet ein weiteres, «ehr kurzes zylinderformiges Element welches in an s-ich bekannter Weise au den Zylinderkopf 9 des zugeordneten Zylinders angeschlossen ist.

Zum An;u hliü's von zwei Aufipuffsammelrohrabschnitten 2 aneinander ist ein ringförmiges Stuck 12 vorgesehen, welches eine Strahldüse bildet und dessen erstes Ende: mit einem Flansch 1 3 versehen ist, der Über eine Segmentbuchse bzw. -dose 5 mit dom Flansch 7 des anliegenden Rohrabschnittes 2 zusammenwirkt. Im Bereich dessen anderen Endes ist das Stuck 12 mit einer zylinderformigen Tragflache 14 versehen, deren Umfangsfla.ehe mit einem Gewinde versehen ist und ins Innere des freien Endes des Zylinders 10 geschraubt wird.

Sobald das eine Strahldüse bildende Werkstuck 12 positioniert ist, dringt das freie Ende des Hauptrohres 6 teilweise ins Innere des Stuckes 12 hinein und steht jedoch mit letzterem nicht in Berührung. So wird in der Strömungs richtung der Gase ein ringförmiger Durchflussquerschnitt 15 begrenzt, welchem in Hohe des Stuckes 12 ein Abschnitt mit gesamtem Durchlassquerschnitt nachgeordnet ist.

Je nach dem Einsatzfall, kann das Werkstuck 12 ein unterschiedliches

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Innenprofil aufweisen, y.umal man den ringförmigen Durchflussquerschnitt 15, durch welchen die Auspuffgas hindurchgeleitel werden, vergrössern oder verringern kann. Daneben ermöglicht da:; Innenprofil dieses Werkstücke;;· die Veränderung des EiniallKwinkels der StrOmungs richtung der Auspuffgas«·, im BeKUg auf die Achse des Au.'ipuffsammelrohres, wobei dieser Winkel vorzugsweise annähernd gleich 0" ist.

Die Figur 4 zeigt einen Abschnitt 2 eines; Auspuff.samme!rohres 1 gemass einer /.weiten Ausfuhrungsart der vorliegenden Erfindung. In diesen Abschnitt 2 inUntlcti zum Beispiel zwei Anschlussleitungen 20, die jeweils die Form einer gebogenen Düse mit verringertem Querschnitt und einer sehr kurzen Lange aufweisen. Bei dieser Ausfuhrungsart ist jede Leitung auf dem Auspuffsammeirohr durch Schweissung angesetzt und mundet durch ein Ende mehr oder weniger ins Innere des Haupt rohre s 6 des genannten Abschnittes 2. Selbstverständlich int die Biegung einer jeden Düse so ausgelegt, dass wie angestrebt, der Einfallswinkel zwischen den Gasen des Auspuffsammeirohres und den Gasen aus der Anschlussleitung möglichst verringert wird. E:; wird darauf hingewiesen, dass in diesem Fall im Bereich des Zusammenflusses einer jeden Anschlussleitung mit dem Auspuff sammelrohr der Querschnitt zum Durchlass der Gase seine totale Flache aufweist.

In Figuren 5 bis 7 ist ein Abschnitt 2 eines Auspuffsamrnelrohres mit einer Anschlussleitung 13 gemass einer dritten Ausfuhrungsart der vorliegende Erfindung dargestellt. Dieses Anschlussrohr 30, welches ebenfalls die Form einer Du^e aufweist, ist der Anschlussleitung der Ausfuhrungsart der Figur 1 ähnlich und jedoch ist in diesem Fall das eine Strahldüse bildende Werkstuck mit dem Anschlussrohr unmittelbar verbunden oder in letzterem integriert. In der StrOmungs richtung der Gase werden jeweils um das Hauptrohr 6 dieses Sammelrohrabschnittes ein ringförmiger Durchflussquerschnitt 33, der sich auf der dem Einlass der Düse abgewandten Seite verjüngert, ein ringförmiger Durchflussquerschnitt 31, der fortschreitend abnimmt, und schliesslich in Höhe des Zusammenflusses der genannten Leitung und des Auspuffsammel- rohres ein Durchflussquerschnitt 32 mit der ganzen zur Verfugung stehenden

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FLiehe begrenzt. Jedes Ans f. hin:;:; rolir i.'. wi rd mit dem Ilauptrohr 6 des Auspuff.s.imtnelrohre:: nicht nu-hr flurcli Schwcisimuf; sondern ober einen Trager 34 mit Hilfe von Schrauben 5Γ> verbunden. «

Die: Figur B v.t-i ^t Kehem.it i s.c.h d.is Ende eines Auspuff iiamme.lrohrabschnilte:; 2 mit einem Anschlussrohr K), welches gemass einer vierten Ausfuhrimgüart der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist und sich von den vorangehenden Ai'-^fuhriuigsbei spielen dadurch unterscheidet, chi:;» der Durc hflufii.cnie rschnitt -11 zwischen jedem Ansc.hlusKrohr unl (hm Auspviffsammelrohr nur leihveisi: ringförmig ausgebildet ist.

In allen vorangehenden Ausfuhrung.sarlen der vorliegendtüi Erfindung hat jede« An.schlusarohr (R, 20, M)₁ K)) die Form einer Düse, deren QuerschnitLsverringeruug, die durch das Verhältnis der sammelrohrseitigen Querschniltsflache zu der /,ylindfirseitigeti Querschnittsflache bestimmt i.t, zwischen 0, 3 und 0,8 und vorzugsweisse zwischen 0,4 und 0,5 liegt.

Mit einem erfindungsgemilHscn Au!;puff:;ammelrohr kann man den Innendurchmesser des Auspuffsammeirohre;; im Vergleich zu einem herkömmlichen Auspuffsammeirohr mit im wesentlichen konstantem Druck wesentlich verringern und letzteres wird dann so ausgelegt, dass das Verhältnis zwischen dessen Durchmesser und der Bohrung der Zylinder zwischen 0, 3 0 und 0, 75 liegt.

Man möchte ebenfalls bemerken, dass in allen Ausfuhrungsarten der Vorliegenden Erfindung die Lange der An»chlussröhre gering gehalten ist, so dass einerseits der Einsatz von Dehnungsbalgen verhindert wird und demzufolge diese mit dem Zylinderkopf des Motors verbundene Leitung den zugeordneten Auspuffsamme !rohrabschnitt unmittelbar unterstutzen kann. Dies wird daneben auch dadurch vereinfacht, dass der Innendurchmesser des Auspuffsammeirohres wesentlich verringert worden ist.

Man wird nun anhand der Figuren 9 bis 13 verschiedene vereinfachte und verbesserte Ausfuhrungsarten dieses Auspuffsammeirohres beschreiben.

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In Figur 9 i"¹- eine aus zwei Auspuff ;amin ·1 roh reu 70 gebildete Kiiihfit gezeigt, welche jeweils einer der zwei V-fnrmig an (',cord ti ·Ιι·η Y.y linde r reihen einer Brennk3\'iftiiri:>t liine, die je Keilu- minde.sf en:; vier /.ylinder auf'-eiit, zugeordnet ist. Jeder. Auspul 1 !.aniin ·11 <>hr 70 hi 'lebt au?, einer gewi .-en Anzahl von einz.-lnen Ab:.(luü!h η 71, 7.', 7 5 und 71, die eiidv.ei <· i l< t< hl ι echt angeordnet r.in-1 und fiber Ve rbindunp,:.; I Uc le 75, die jeweils durrh Segm ·η(-büchfsen oder Dehnung.--fug· η gebildet :.in 1, miteinander verbunden werden, wobei jede:; Ende eine:; AbHchnitle:; diese . Auspuffs.iiTnnelriiliri·.·; über Schellen 76 mil dem enteprethenden I!nde des jeweiligen VerbinduugH.«;luekes verbunden ist.

Der erste Abschnitt 72, der das· {',etn hloü.'.ene Ktule de;; Auüpuffsiammelrolii*cs 70 bilde:I, iüt an .seineni Kndi: 77 vcr.M hloüüen und an scinmn gegenüberliegenden Knde über ein Verbindung:;:;tuch der genauntt:ri Art 75 mit dem darauffolgenden Abschnitt 71 verbunden. Der vorletzte Abschnitt 73 des Auspuff sammelrohren· 70 ist bogenförmig ausgeführt, um, wie es die Figur 9 zeigt, die Kreuzung von zwei Auspuff-sammelrohren 70 zu ermöglichen, wobei der letzte Abschnitt 74, (\^r den Auslass des Sammelrohres bildet, mit dem Einlass einer Vorverdichtungslurbine verbunden werden kann.

Jeder Abschnitt 71, 7?. utid 73 den Au.spuffsammelrohreH bi-ülehl mit dem Anschlussrohr 78 des jeweiligen Zylinders» aus; einem einzigen gegossenen Stuck.

Man kann bemerken, dass die verschiedenen Abschnitt«! der Auspuff-Bammclrohre 70 alle kennzeichnenden MerkiTi^-ih^v der Erfindung besitzen und dass insbesondere jedes Verbindungsrohr 78 die Form einer Düse aufweist, deren Querschnittsflachen am auspuffsammelrohrseitigen Auslass sowie am zylinderseitigen Einlass in einem Verhältnis zwischen 0, 3 und 0, 8 und vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,5 liegen. Das Verhältnis des Innendurchmessers des Auspuffsammeirohres 70 zu der Bohrung der Zylinder liegt zwischen 0, 30 und 0, 75. Man kann daneben bemerken, dass der Querschnitt der verschiedenen Durchführungen der Auspuffgase im Inneren eines \uspuffeammelrohres 70 auf der gesamten Lange des selbe ns konstant und einheitlich

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Vorzugsweise betragt in dem Auspuffsammeirohr 70 sowie in deA zwei im Bezug auf Figuren 10 bus 13 beschriebenen Ausfuhrungsformen der Winkcl.der durch die Längsachse eines Abschnittes des Auspuffsammeirohres sowie durch die Achse des Verbindüngsrohres an den Zylinder im Bereich des Einlasses desselbens in das genannte Sammelrohr eingeschlossen ist, etwa 30°.

Zwei besonders vorteilhafte Ausfuhrungsformen der das Auspuffsammeirohr bildenden Abschnitte sind in Figuren 10 bis 1 3 in Einzelheiten dargestellt.

Der Auspuffsammelrohrabschnitt 80 der Figur 10 ist für eine mit V-förmig angeordneten Zylindern versehene Brennkraftmaschine geeignet und hat eine im wesentlichen zylinderförmige Form mit kreisförmigem Querschnitt. Dieser Abschnitt ist mit einem im wesentlichen ge radio rmi ge η , aus einem einzigen Stuck bestehenden Anschlussrohr 81 geringerer Lange versehen. Wie schon erwähnt, betragt der Winkel, der durch die Langsachse 8; dieses Auspuffsammelrohrabschnittes 80 und durch die Langsachse 83 des Anschlussrohres 81 im Bereich dessen Einführung in das Sammelrohr eingeschlossen ist, etwa 30°. Jedes Ende des Abschnittes 80 des Auspuffsammeirohres weist einen ersten kreisförmigen Flansch 84, der die Verschraubung mit dem anliegenden Abschnitt oder die Verbindung mit demselben über eine Schelle ermöglicht, sowie einen zweiten zurückgezogenen Flansch 85 auf. Die Linien 86 und 87 deuten den Schnittpunkt des Endes des Rohres 81 mit dem zylinderförmigen Abschnitt 80 des Auspuffsammeirohres an.

Die Figuren 11 bis 13 zeigen schematisch eine weitere Ausfuhrungsform eines derartigen Auspuffsammelrohrabschnittes, der in einer Brennkraftmaschine mit reihenmässig angeordneten Zylindern eingesetzt werden kann. Der Sammelroh'rabschnitt 90 ist im wesentlichen zylinderförmig mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgeführt und besteht mit der Leitung 91 jsum Anschluss an den entsprechenden Zylinder aus einem einzigen Stück,

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welches mit einem Flansch 92 endet, der seinerseits die Befestigung an den Zylinderkopf ermöglicht. Wie es die Figuren 11 und 12 zeigen, ist im Gegensatz zu dem Ausfuhrungsbeispiel der Figur 10 die Anschlussleitung 91 nicht geradlinig sondern verwunden bzw. verbogen ausgeführt und in Figur 13 ist die Form im Querschnitt des Endes dieser Anschlussleitung im Bereich ihrer Mundung in den Rohrabschnitt 90 ersichtlich. Wie im vorangehenden Ausfuhrungsbeispiel umfasst der Abschnitt 90 an seinen beiden Enden einen kreisförmigen Flansch 93, der über eine Schelle die Verbindung mit dem anliegenden Auspuffsammelrohrabschnitt oder mit einem zwischengeschalteten Ve rbindungs stuck herstellt.

In Figur 14 sind die verschiedenen Druckkurven, die sich auf die niederen Drucke beschränken, in Abhängigkeit von den Winkeln der Kurbelwelle dargestellt, wobei der obere Totpunkt des Kolbens einem Winkel von entspricht. Auf dieser Kurvendarstellung sind die jeweiligen Zeitpunkte der Öffnung des Auspuffventiles (OE), der Öffnung des Einlass ventile s (OA), der Schliessung des Auspuffventiles (FE) und der Schliessung des Einlassventiles (FA) angedeutet.

In der Darstellung der Figur 14 zeigen : die dickeren kontinuierlichen Züge : den in dem Zylinder gemessenen Druck (Kurve A) ;

die weniger betonten kontinuierlichen Zugejden in den Anschlussleitungen am Auslass der Zylinder gemessenen Druck der Auspuffgase (Kurve B) ;

die punktierten Zuge : den in dem Einlasssammelrohr gemessenen Aufladedruck (Kurve C) ; und

die Strichpunktzuge : den Auspuffdruck, ohne dass sich die Ausstoss- wirkung im Bereich der Anschlussleitungen einstellt (Kurve D).

Wenn man die Kurven der Figur 14 gründlich beobachtet (wobei ein Diffusor vorgesehen ist), kann man feststellen, dass nach der Öffnung dea

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Au s puff ve η tile s (- 240°) der Auspufftakt des Zyklus ausgelost wird und dass eine Druckwelle bzw. ein Gasstoss (Kurve B) in der Anschlussleitung des zugeordneten Zylinders entsteht. Die Amplitude dieser Druckwelle steigt verhältnismässig schnell an (ziemlich steile Wellenfront) und erreicht ihren Höhepunkt im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens (- 80°). Von diesem Zeitpunkt an sinkt die Welle ab und ihre fallende Front ist weniger steil als die steigende Wellenfront, wobei der in dem Zylinder herrschende Druck (Kurve A) diesem absinkenden Kurvenverlauf folgt. Die entsprechende Druckabnahme ist ausreichend schnell, um die einwandfreie Entleerung des Zylinders zu ermöglichen.

Dann schwingt die Druckwelle (Kurve B) geringfügig und entspricht den in dem Auspuffsammeirohr noch vorhandenen Geisstössen, die von den anderen Zylindern herrühren. Von dem unteren Totpunkt des Kolbens an fangt der in dem Zylinder herrschende Druck (Kurve A) an, sich fortschreitend zu erhöhen und geht dann in den nicht dargestellten Hochdruckbereich des Zyklus über.

Es wird darauf hingewiesen, dass zwischen der Öffnung des Einlassventiles und der Schliessung des Auspuffventiles der in der Anschlussleitung herrschende Druck (Kurve B) ausreichend geringer als der Aufladedruck (Kurve C) ist, damit sich die einwandfreie Spülung des Zylinders einstellt (mit Punkten angedeuteter Bereich in Figur 14).

So kann man zwischen der Öffnung des Auspuffventiles und etwa dem unteren Totpunkt des Zylinders die potentielle Energie der Gase des Zylinders wahrend deren Durchflusses durch die Anschlussleitung hindurch insgesamt behalten, wobei diese Tatsache durch die starke Querschnittsverringerung der genannten Leitung erzielt werden kann. Mit anderen Worten wird in der Tat der ursprungliche Gegendruck in der Anschlussleitung erhöht, wobei diese Druckerhöhung einerseits zur Verringerung der Verluste durch Walzung im Bereich der Durchführung des Ventiles und andererseits zur Herabsetzung der Temperatur des Ventiles besonders günstig ist. So kann man in vorteilhafter Weise die Umwandlung eines Teiles der kinetischen

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Energie in Warme vermeiden.

Es muss insbesondere betont werden, dass die Beibehaltung der· Energie zwischen der Öffnung des Auspuffventiles und dem unteren i otpunkt des Kolbens beim Übergang des Zylinders in die- Anschlussleitung zu einem besonders günstigen Zeitpunkt des Zyklus stattfindet, so dass bei dem nachfolgenden Takt die Entleerung des Kolbens unter gunstigeren Bedingungen erfolgt.

Dank der Ausstosswirkung der Anschlussdose wird dann die Forderung der Gase von der Anschlussleitung in das Auspuffsammclrohr durch Umwandlung der Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie beschleunigt, wobei diese Energie von dem Gasstoss selbst abgenommen und von dem Kolben selbst nicht geleistet wird.

Durch die Verringerung des einheitlichen Strömungsquerschnittes in dem Auspuffsammeirohr bleibt die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Gase erhalten und dann wird diese Geschwindigkeitsenergie durch den Diffusor, der vorzugsweise am Eingang des Turbogeblases angeordnet ist, in Druckenergie wieder umgewandelt, wobei die Auswertung dieser Energie daneben zur Herabsetzung des statischen Druckes in dem Sammelrohr und demzufolge zur Verbesserung der Entleerung der Zylinder, die in allen Zylindern im wesentlichen gleich ist, dient.

Wenn man, bezugnehmend auf Figur 14, die durch die Anschlussleitungen bewirkte Ausstosswirkung behebt, erzielt man in dem Auspuffsammeirohr eine schwingende Druckkurve (wie die Kurve D) mit starken Gasstössen Dl, DZ, die von den verschiedenen Zylindern herrühren und fur die Kennlinien des Motors besonders ungünstig sind.

In Figur 15 sind Kurven dargestellt, die ähnlich wie die Figur 14 verlaufen und sich jedoch auf ein Aus puffs amme 1 rohr mit Druckwellen bezichen. Man kann bemerken, dass in diesem Auspuffsammeirohr eine einwandfreie Spülung der Zylinder (durch den punktierten Bereich angedeutet)

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erzielt wird, da zwischen der Öffnung dos Einlassvcntiles und der Schliessung des Auspuffventiles der Aufladedruck (Kurve C) wesentlich hoher als der in der Anschlussleitung herrschende Druck (Kurve B) ist. *

Man kann jedoch bemerken, dass die Druckwelle (Kurve B) in Figur in einem erfindungsgemasKcn Auspuffsammclrohr eine Dauer aufweist, die im Vergleich 7,\x dor Druckwelle der Figur 15 geringer ist, d.h., dass gemäss der vorliegenden Erfindung die Entleerung der Zylinder schneller und gründlicher ist.

Die Figuren 16 und 17 zeigen den Niederdruckbereich des Motozyklus, der den Figuren 14 und 15 jeweils entspricht, wobei der Druck in dem Zylinder in Abhängigkeit von dem Volumen dieses Zylinders in Prozent angedeutet ist.

Ein Vergleich der Kurven 16 und 17 zeigt, dass die negative durch den Kolben geleistete Arbeit in einem erfindungsgemässen Auspuffsamtnelrohr (Figur 16) geringer als in einem Auspuffsammeirohr mit Druckwellen (Figur 17) ist. Diese negative Arbeit eines jeden Kolbens ist in beiden Figuren durch die punktierten Flächenbereiche angedeutet.

So weist ein erfindungsgemässes Auspuffs amme lrohr im Vergleich zu den herkömmlichen und schon bekannten Einrichtungen dieser Art zahlreiche Vorteile auf, die dadurch erzielt werden, dass durch die Drosselung der Strömung der Gase die Ausstosswirkung erhöht wird und dass insbesondere diese Ausstosswirkung in engster Nahe des Auslasses des Zylinders vorgesehen ist, wahrend in einem Auspuffs amme lrohr mit Impuls umformer diese Wirkung sich an dem Turbo gebläse -seiti gen Ende des Auspuffsammeirohres einstellt.

Das Vorhandensein eines im wesentlichen konstanten Druck am Ausgang des Auspuffsammeirohres ermöglicht den Einsatz dieses Sammelrohres in verschiedenen Anlagen, wie zum Beispiel in der unter der Bezeichnung von "comprex" bekannten Anlage, in welcher eine beinahe ,/ konstante Versorgung erfordert wird, wobei diese Anlagmdie sonst ein-

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gesetzten Turbogeblasen ersetzen.

In einem Motor mit doppelter Vorverdichtung kann das erfindungs*- gemässe Auspuffsammeirohr mit Vorteil als Hochdru'kstufe der Turbine eingesetzt werden.

Das erfindungsgemasse Auspuffsammeirohr kann in den nicht aufgeladenen Motoren zur Erzielung einer besseren Entleerung und einer höheren Leistung eingesetzt werden.

Die eben beschriebenen Auspuffsammeiröhre sind insbesondere dadurch vorteilhaft, dass sie im Vergleich zu den gewöhnlich eingesetzten Auspuffsammeiröhren einen wesentlich geringeren Durchmesser aufweisen, so dass der notwendige Raumbedarf geringer ist, eine kostenlose Geschwindigkeitsenergie, die am Auslass dieser Sammelröhre in Druckenergie umgewandelt werden kann, geliefert wird und dass schliesslich der zur Verfugung stehende Querschnitt dem wirksamen Querschnitt der Einlassdüse der Vorverdichtungsturbine im wesentlichen gleich ist.

Die Turbogeblasen der vorverdichteten Motoren sind so ausgelegt, dass sie gaseinlassseitig mit schon bekannten Auspuffsammelröhren verbunden werden können, und zwar mit einem Einlassdurchmesser, der grosser al s derjenige des erfindungsgemassen Auspuffsammeirohres ist. Zur Verbindung dieses Auspuffsammeirohres mit einer derartigen Turbine muss man normalerweise einen Diffusor einsetzen, dessen Öffnungswinkel «ur sicheren Umwandlung der kinetischen Energie der an dessen Einlass vorhandenen Gase in Druckenergie, 10 bis 15° betragen soll, was zu einer Länge von etwa 500 mm fuhrt. Der Raumbedarf dieses Diffusors ware dann grosser als der im allgemeinen zur Verfugung stehenden Platz, zumal der Einlass dieser Turbine meistens seitlich angeordnet ist. Die Anbringung eines Diffusors ist daher mit Schwierigkeiten verbunden,wenn nicht sogar unmöglich.

Auseerdem ist die Leistung bzw. die Ausbeute eines derartigen

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Diffusors besonders gering. Die Geschwindigkeit der Gase am Auslass des Auspuffsammclrohres sinkt im Gegensatz zu der auswertbaren Entspannungsrate der Gase mit dem Last und der Geschwindigkeit des Motors nur weni«g ab, so dass die Komponente der kinetischen Energie zu den Teillastbcreichen einen wesentlichen Anteil der Druckkomponente erreichen kann. Die Komponente der kinetischen Energie ist zum grössten Teil abgebaut und zwischen dem Ende des Auspuffsarnmelrohres und dem vor dem Verteiler der Turbine angeordneten Punkt in Wärme umgewandelt. In diesem Punkt ist die Geschwindigkeit der Gase tatsachlich drei- bis viermal geringer als am Ausgang des Auspuffsammeirohres (etwa 0,1 -0,2 Mach) und ausserdem ist keine Zwischenverwertung der Energie möglich, da der Diffusor sowie die Ausbildung der Gaseinlassvorrichtung der Turbine eine nur unzureichende Umwandlung der Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie ermöglichen. Durch den Teilabbau der am Ausgang des Auspuffsammeirohres cinzetzbaren Energie in Warme am Ort des Überganges des Diffusors in die Gaseini issvorrichtung der Turbine kann man durch die Beschleunigung der Gase in dem Verteiler am Ausgang desselbens auf einem Durchflussquerschnitt, der demjenigen des Auspuffsammelrohrauslasses gleich ist, die Geschwindigkeit, die ursprünglich am Auslass des Auspuffsammeirohres besteht, thermodynamisch nicht mehr erreichen. Mit Vorteil wird dann diese Einheit, die aus dem Diffusor und der Gaseinlassvorrichtung mit zugeordnetem Verteiler besteht, beheben, so dass die Komponente der ursprunglichen Geschwindigkeit der Gase am Auslass des Auspuffsammeirohres insgesamt ausgewertet werden kann.

Die vorliegende Erfindung schlägt ebenfalls die Herstellung einer Verbindung vor, welche die Zufuhrung von Gasen, deren Geschwindigkeit auf einen grösstmöglichen Wert gehalten ist, mit einem Höchstwert an Energie in die Turbine ermöglicht, indem dabei eine von dem Last des Motors möglichst unabhängige Energie beibehalten wird.

Zu diesem Zweck ist es gemäss der vorliegenden Erfindung vorgesehen, den aus dem Auspuffsammeirohr ausströmenden Gasen einen Querschnitt zur Verfugung zu stellen, der im wesentlichen konstant ist oder bis zum Turbinen-

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rad allmählich abnimmt, um auf diese "Weise im Gegensatz zu der ungünstigen Leistung des schon boschriebenen Diffusors die vorteilhaften, zum Antrieb dieses Rades notwendigen Bedingungen zu schaffen. _%

So kann man in der gesamten Energie, die durch die aus dem Auspuffsammeirohr ausströmenden Gase zur Verfugung gestellt wird, die Geschwindigkeit κ komponente bzw. die kinetische Energie der Gase, die am Ausgang des Auspuffsammclrohrcs vorhanden ist und von der Last und dem Betrit'bsbereich des Motors praktisch unabhängig ist, beibehalten.

Gemäss einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht dieses Verfahren darin, dass zwischen dem Auspuffsammclrohr und der Turbine der Durchflussquerschnitt der Gase im wesentlichen linear verringert wird.

Die vorliegende Erfindung schlagt ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens vor, die ein Auspuffsammeirohr der genannten Art umfasst, welches mit der Turbine der Vorverdichtungsanlage einer Brennkraftmaschine verbunden ist, in welcher der Auslass des Auspuff Sammelrohres über eine Leitung, Volute oder dergleichen, deren Gasdurchlassquerschnitt im wesentlichen konstant ist oder von dem Auslass des Sammelrohres bis zum Turbinenrad fortschreitend abnimmt, mit der Turbine unmittelbar verbunden ist.

Man wird nun im Bezug auf Figuren 18 bis 20 eine erste Ausfuhrungsart einer Volute, die den Anschluss eines erfindungsgemässen Auspuff sammelrohres an den Einlass einer axialen Vo rverdichtungs turbine einer Brennkraftmaschine herstellt, beschreiben.

In dieser ersten Ausfuhrungsart dient zur Verbindung des Auslasses des Auspuffsammeirohres mit der axialen Turbine 50 ein Rohrsystem 51 zur Einführung der Gase in die Turbine ein, welches keine Düse umfasst und die Form einer Volute aufweist. Dieses Rohrsystem ist auf dem Gestell der Turbine so eingebaut, dass es das Rad 52 der Turbine, welches mit radial

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gcri« -bieten FlU Jm-Iu '.'■>', die cine Hohe h aufweisen, versehen ist, überdeckt. Die Vciliile ^r>l ί.·;ΐ so ausgeführt, dass der Gasdurchlassquerschnill sich forl.se hreitend verjünge rl, f;o dass die Angriffs geschwindigkeit des Turbinenrades EiZ di-v Auspuffgase auf dem gesamten Umfang des. Rades konstant ist, woh(U die.:er Querschnitt am Eingang I' der Volute ihre maximale Abmessung aufweist und am Ausgang F¹ null i:.t und dabei entlang des Umfangsknii.wü mit mittlerem Durchmosscr d im wesentlichen linear verringt;rt ist.

W(UiU der Auslassquerschnit! ⁽1<^>:: Auspuffsanimelri)hres so bomcsscn ist, dass die durch die Turbine angeforderte Geschwindigkeit nicht erreicht ist, kann man in F den Kinlassquerschnill geringfügig verringern (der Einlassquerschnitl in F ist dem Querschnitt in G, der den Auslassqucrschnitt des Auspuffsammeirohres bezeichnet, im wef.entliehen gleich oder etwas geringer als letzterer), wobei der Durchflussquerschnitt der Gase in der Volute; bis zur Erreichung des Querschnittes am TurbineneiiilasK in F¹ ßtandig forlsclireilend im wesentlichen linear abnimmt.

In den herkömmlichen Anschlüssen zwischen einem Auspuffsammei rohr und einer axialen Turbine wird der Winkel, mit welchem die Gase das Turbinenrad beaufschlagen und die höchste Leistung erzielt wird, durch den Wert der Neigung der Iieschaufelung 'Irr Turbine am Auslass deren Verteiler bestimmt. Gemass diesem Merkmal der vorliegenden Erfindung, gemilss welchem dieser Anschluss keinen Verteiler aufweist, ist der optimale Deaufschlagungswinkel des Rades 52 durch die Auspuffgase durch den Winkel (X bestimmt, der durch die ,lusscrc Flache tier Volute, aufweiche die Gase. drucken, und eine zu der Ebene des Turbinenrades 52 gleichlaufende Ebene eingeschlossen ist.

Um eine Anpassung an verschiedene Gasdurchflussmengen herbeizuführen, muss man anders als in den herkömmlichen axialen Turbinen vorgehen. Zu diesem Zweck verändert man in der schon bekannten Technik den wirksamen Querschnitt und/oder den Einfall des Verteilers, wobei das Profil des Rades dem Geschwindigkeitsdreieck, welches sich von der Basis des Flügels dieses Rades bis zu dessen Ende einstellt, angepasst wird. Gemäss

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der vorliegenden Erfindung wi n\ diese Anpassung in der Wc-i:.c durchgeführt, dass der Durchmesser dp am Eingang der Volute 51 und/oder die Hohe h der Flügel 53 des Turbinenrades 52 verändert werden. ,

Im Falle einer Brennkraftmaschine mit zwei V-förmig auge ordne to η Zylinderreihen kann man zum Anschluss der Ausgange beider jeweils einer Zylinderreihe zugeordneten Aunpuffsammelrohre an die Turbine init Vorteil eine Volute mit doppeltem Kinins» einsetzen, wie das zum Beispiel in Figuren 21 und 22 oder 23 und 24 gezeigt ist. Jeder Voluleneinlass erhalt dann die Auspuffgase eines einer Zylinderreihe zugeordneten Auspuffsammeirohres. Man kann in Abhängigkeit von der Zundungsreihe der Zylinder und ihrer Anzahl entweder zwei voneinander isolierte, aneinander gelegte halbe Voluten einsetzen, die jeweils einen halben Sektor des Turbinenrades aufschlagen. Es handelt sich hierbei um zwei voneinander getrennte Zylinderreihen, wenn der Motor eine ausreichende Anzahl von Zylindern, zum Beispiel vier Zylinder y. Riihe mit regelmässig aufeinander folgender Zündung aufweist. Man kann auch zwei aneinander gelegte miteinander in Verbindung stehende halbe Voluten einsetzen, wenn die Zündung der jeweiligen Zylinder in den Reihen nicht regelmassig bzw. mathematisch stattfinden.

Die Figur 21 zeigt Hchemati.sch eine derartige An.si hlus.svolute 55, die aus zwei kreisförmig aneinander gelegtun halben Voluten 56 beisteht, welche jeweils einen Einlass 57, der zu dem Einlass der anderen halben Voluten diametral entgegengesetzt angeordnet ist, umfassen, wobei dieser Einlass mit einem Auspuffsammeirohr verbunden ist, welches den Zylindern einer der zwei V-förmig angeordneten Reihen zugeordnet ist. Die Pfeile der Figur 21 zeigen den Verlauf der Auspuffgase in jeder halben Volute, wobei letztere durch den Einlass 57 einfliessen und durch die halbe Volute 56 hindurch bis zu ihrem diametr£il entgegengesetzten Ende strömen. Die Figur zeigt schematisch die abgewickelte Form beider hdben Voluten 56 und man kann deutlich erkennen, dass letztere voneinander isoliert sind.

In Figur 23 besteht die Volute 58 zum Anschluss des Auslasses des Auspuffsammelrohres an die ax iale Turbine aus zwei kreisförmig aneinander

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gelegten halben V-iluU'ii ^ri'), dir miteinander in Vo rbindutig stehen und jeweils einen Einlass 60 besitzen, der dem AuKpuffsarnmelrohr einer Zylinderreihe zugeordnet ist. In der abgewickelten Darstellung der Figur 24 erkennt man, dass jede halbe Volute: 59 durch ibt· dem Einlass 60 diametral entgegengesetztes Kride mit der andrrrn h.tlln'ii Volute 59 verbunden ist.

Die Figuren <i^r) und Ld zeigen :>c hrmatisch eine weitere Ausführungsa rt der vorliegenden ErI inching, die ebenfalls insbesondere zum Aiist liliiü.¹. des Auslasses eine? Au::puffi>ammelrohres an eine axiale; Turbine 50 angewandt werden kann. Es handelt sich um eine ähnlich wie die Turbine der Figur 19 ausgebildete Turbine. In diesem Fall wird die Verbindung zwischen dem Auspuffsammelr.ihr und dem Einlass der Flügel 53 des Turbinenrades 52 mit Hilfe eines im wesentslicheii kegelstumpffürmigen Anschluss; sys turne s hergestellt, welches mit einem Ende auf dem Gestell der Turbine. 50 eingebaut ist und dabei das Turbinenrad 52 überdeckt und dessen anderes Ende 62 mit dem Auslass des Auspuffsarnmelr->hres verbunden ist. Dieses Anschlusssystem bzw. -gestell dient dazu, den wirksamen, den Auspuffgasen zur Verfügung gestellten Querschnitt im wesentlichen k instant zu halten oder geringfügig ?u verringern, so dass die genannten Gase am Ausgang dieses Anschlusssyntemes zur Beaufschlagung der Flügel 53 des Turbinenrades 52 den gewünschten Einfallwinkel <X aufweisen. Dieses Ziel wird mit Hilfe einer im wesentlichen k mischen mittleren Spitzb>genf>rm 63, die im Inneren des System.es 61 sj angeordnet ist, dass sie mit ihrer grOsseren Basis die Nabe des Rades 52 im wesentlichen überdeckt, wie es die Figur 25 zeigt, sowie mit Hilfe einer Beschaufelung 64 erzielt, die zwischen der Spitzb.jgenform 63 und dem System 61 im wesentlichen radial angeordnet ist und den gewünschten Einfallwinkel für die Beaufschlagung des Turbinenrades bestimmt. Dieser Winkel O^ ist derjenige, der die Tangente zu der gasseitigen Fläche der Beschaufelung 64 an ihrem gasauslassseitigen Ende mit der zu der Ebene des Turbinenrades 52 gleichlaufenden Ebene einschliesst.

Die Radschaufel 64, die sich in unmittelbarer Nähe der Flügel 53 des Turbinenrades 52 erstrecken, können von verschiedenen Punkten wie zum Beispiel a, b oder c ausgehen. Durch die unterschiedliche Länge der jeweiii-

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gen Had schaud-l kann die F-irin des Spit zb igen η 6.5 am betten ang<-p·) s .si werden. Der Spilzb )[;ι·η 63 ist über die Radsehauiel 64 aiii Ans Hi Iu-. .■..<■ ystem befestigt 'der mit dein Tiirbinengehfluse festverbunden, w »bei di<- Rad:.chaufel · und das System 61 dann mileinaude r ie κ I verbünde η sind ider ni(ht.

Wie f.-fhin crwaliiil e rm">gli < hen die verschiedenen Auf;!til»i-iiiij·,«;ίirnieu des Auf^;( bin; ··.<· s zwisHii-u dem Au ·. 1 a s s rl'·:; Au · puf is.munel ι·<1ι π· ?, und dem Rad der axialen V >rverdic hlurigstui bine, die anhand der Figureti 18 bii, ZG beschrieben worden sind, da.';.': die am Ausgang des AuBpuffsatmnelrohres vorhandene kinetische Jwiergie der Auspuffgase iuijgesaml beluillen wird, während in der srh-.m bekaunliüi Te< Imik diese kinelisclie I-lnergie teilweise in Warme umgewandelt winl, w ibei gema.ss <lei· schon bek.uinlen 'l'ei Imik der Anschluss zwischen Auspuffsammeirohr und Turbine mit Hilfe eines Diffusors s-uvie eines Auspuff gaseinlass verteiler erzielt wire!.

Man kann bei.«-pielsweise angeben, da.':.¹! in einem Mol->r, der j<Zylinderreihe 5 bis 9 Zylinder aufweist, die milllere Geschwindigkeit der Auspuffgase am Ktide: eines Auspuffsammelr^hres in der (Ir-issen irdnung VJIi 0, 3 Mach in dc;r si b in bekannten Technik beli-.lgt und dass sie mil einer Vorrichtung nach I'iguj-en 1 bis 1?. zwischen 0, i und 0,·1^[) Mat Ii liegt und dass sie mit einer der V irri< blutigen der Figuren IH bis ?.(> zwischen 0,Ί^Γί und 0,7 Mach beträgt. S) kann man mit Hilfe dor V irric htungen dc:r I-'igun η 1 bis die V jrteile der sch m bekannten Technik nicht nur behalten s-mderu auch ve rbe s s e rn.

Schliesslich machte man bemerken, dass die vorliegende; Erfindung entweder an Viertaktm >toren >der Zweitaktm itoreu angewandt wcirden kann.

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BAD ORIGINAL

Claims

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. HEINRICH SCHAEFER /'/

DIPL-FHYS. KOHRAD SCHAEfER

HAMBURG 70, ZIESENiSSTRASSE 6, TEL. 652 96 56

PATENT ANSPRÜCHE

(JLJ- Verfahren zur Dämpfung der Druckschwankungen in einem mehreren, Vorzugs weise vier bis zehn Zylindern je Zylinderreihe zugeordneten Auspuffsamme lrihr einer ;um Beispiel aufgeladenen Brennkraftmaschine, mit einem Stosseffekt, der sich beim Einlass der Auspuffgase in das Auspuffsammeirohr einstellt, dadurch g e k <■ η η ζ e i c h η e t, dass es darin besteht, bei der Öffnung de-; Auspuff ve iililes bis in unmillelbarer Nahe des uberen Totpunktes des Kalbens, eine maximale Menge der potentiellen restlichen Energie der Gase des Zylinders am Ende des Durchflusses derselben durch die VerbindungsLeitung 8 hindurch elwa am Ende des Entspannungstaktes dadurch zu behalten und deshalb die Entropie steige rung dadurch zu verringern, dass die Strömung der Gase in engster oder unmittelbarer Nahe des Auslasses des Zylinders gedrosselt werden ; und dann die Ausstosswirkung in der Weise zu erhöhen, dasf; die Strömung der Gase in das Sammelrohr 1 durch Umwandlung der Energie des Druckes in eine Energie, die den in dem Auspuffsammeirohr vorhandenen Gasen erteilt wird, beschleunigt wird, wobei dafür der einheitliche Durchflussquerschnitt des Auspuffsammeirohres 1 auf einen Wert herabgesetzt wird, welcher geringer als die Abmessung der Bohrung des Zylinders ist, um fur die Gase die gr:isstm:igliche Strömungsgeschwindigkeit in der Weise zu erreichen, dass die potentielle Energie, die normalerweise bei jedem Gasstoss zu einem Zeitpunkt, zu welchem die dem Kolben erteilte Entspannungsarbeit maximal und die durch den Kolben geleistete Verdrangungs· arbeit minimal sind, verlorengeht, verwertet wird.

2. - Verfahren nach Anspruch ldadurch gekennzeichnet, dass es

darin besteht, die Geschwindigkeitsenergie der Gase in eine Druckenergie am Ausgang des Auspuffsammeirohres 1 umzuwandeln.

3. - Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dase es

darin besteht, zwischen dem Ausgang des Auspuffsammeirohres 1 und dem Eingang einer Vorverdichtungsturbine 50 die von den Auspuffgasen in dem Auspuffsammelrohr 1 erreichte Geschwindigkeit aufrecht zu erhalten und zu

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ORIGINAL INSPECTED

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diesem Zweck dm Durc hlufssqucrschnilt der Gas>e zwischen dem Auslass des Auspuffsammelnlircκ 1 und dem Rad 52 der Turbine 50 im wesentlichen konstant zu halten xler letzteren fortschreitend zu verringern. »

4. - Verfahren nach Ansprin Ii 3 dadurch gekennzeichnet, dass es

darin besteht, den gi-nannlen Durchflussquerschnitt der Gase zwischen dem AuspuffsammeIr >hr und der Turbine im wesentlichen linear zu verringern.

5. - Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet,

dass zur Erzielung einer maximalen Leistung der Turbine in Abhängigkeit von der Durchflussmenge der Gase, der Durchflussquerschnitt der Gase am Auslass des Auspuffsamme!rohres s >wie die IlShe der Flügel 53 des Turbinenrades 52 eingestellt werden.

6. - Auspuffsammeirohr zum Einsatz des Verfahrens nach einem der Ansprache

1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass jede Anschlussleitung 8, 20, 30, 40, 78, 81, 91 in Form einer Düse ausgeführt wird, deren Flachen im Querschnitt am Auspuffrohr-scitigen Auslass und am Zylinderseitigen Einlass zu einander in einem Verhältnis zwischen 0, 3 und 0,4 und vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,5 liegen.

7. - Auspuffsammeirohr nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet,

dass das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser des Auspuffsammelrohres und der Bjhrung der Zylinder zwischen 0, 30 und 0, 75 liegt.

8. - Auspuffsammelr )hr nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzei -

c h η e t, dass es sich um ein Auspuffsammelr ohr mit im wesentlichen konstantem Durchflussquerschnitt handelt.

9. - Auspuffsammelr ohr nach einem der Ansprüche 6 bis 8 dadurch gekennzeichne t, dass jede Anschlussleitung 8, 20, 30, 40, 78, 81, 91 im Bereich ihres Zusammenflusses mit dem Auspuffsammeirohr einen entwtder ringförmigen, oder teilringförmigen oder noch gesamten Querschnitt aufweist.

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1 O. - Auspuffsammelrohr nach einem der Anspracht.' (> bis 9 dad u r c h gekennzeichnet, dass das Auspuffsammelrohr 1 unmittelbar durch die Anschlussleitungen 8, 20, 30, 40, 78, 81, 91, die mit den Zylinderköpfea 9 der zugeordneten Zylinder verbunden sind, getragen i"t.

H. - Auspuffsammelrohr nach einem der Ansprache 6 bis 10 dadurch gekennzeichnet, das;· jede Au.schlui.-sleitung 8 aiii; einem Zylinderf'.irmigen Element 10, welches ausserhalb des Ilauplr >hres 6 eines Sammelrohr-

abschnittes 2 und konzentrisch zu letzterem ange irdnet ist, dessen erste Endfläche mit dem genannten Rjhr verbunden ist, wahrend seine andere Endfläche frei gelassen ist und sich etwa aber die freie Endfläche des genannten R ihres erstreckt ; aus einem zweiten zylinderförmigen Element 11, welches in das erste zylinderf'irmige Element 10 senkrecht mündet und in an sich bekannter Weise mit dem Zylinderk >pf des zugeordneten Zylinders verbunden ist ; und schlies sLich aus einem ringförmigen Stück 12 besteht, welches eine Strahldüse bildet, deren erstes Ende mit dem anliegenden Auspuffsammelrohrabschnitt verbunden ist und deren anderes Ende mit einer zylinderförmigen Tragfläche 14 versehen ist, die im Inneren des freien Endes des ersten zylinderförmigen Elementes 10 befestigt und zum Beispiel geschraubt ist.

12. - Auspuffsammelrohr η ch Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Werkstück 12 ein veränderbares Aussenprofil aufweist.

3. - Auspuffsammelrohr für eine zum Beispiel aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass ein Diffusor 4 zwischen dem Auslass des Auspuffsammeirohres und dem Einlass der Vorverdichtungsstufe eingebaut ist.

14. - AuspuffsammeIr ihr nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welches mit der Turbine 50 einer Vjrverdichtungsanlage einer Brennkraftmaschine verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass des Auspuff-B amme Ir oh res über eine Leitung, Volute oder dergleichen 51, 55, 58, 61, deren Durchflussquerschnitt im wesentlichen konstant gehalten ist oder von

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dem Auslass rU¹.·-; Auspuffiiamirn-lrolires an bis zum Turbinenrad 5Z sich allmithlich verringert, mil tier Turbine 50 un mittelbar verbunden ist.

15. - Auspuff «.ammelrohr nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Durchflussquerschnitt sich im wesentlichen linear verjUngert.

6. - Auspuffsammeirohr nach Anspruch 14 oder 15 dadurch gekennz c i c h η e t, dass die genannte Leitung aus einem System bzw. Gestell zum Einlass der Gase in die Turbine be.'Uchl, welches die F um einer Vjlute, die dch im wcscnllichrn auf 360"' erstreckt, aufweist, deren Einlassquersrlinitt dem Auslassquer.se hnitt des Au spuffsamme !rohre s im wer-ent Ii ehe η gleich ist und bis zu einem am Ausgang im wesentlichen nullen Wert fortschreitend abnimmt, s.:> dass die Geschwindigkeit zur Beaufschlagung des Turbinenrades 52 auf dem gesamten Umfang des Rades im wesentlichen konstant ist.

17. - Au spuffsamme Ir >hr nach Anspruch 14 oder 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung aus einem System bzw. Gestell 55, 58 zum Einlass der Gase in die Turbine besteht, der die Form von zwei einander in Verlängerung angeordneten halben Voluten 56, 59 mit doppeltem Einlass 57, aufweist, wobei der erste Einlass mit Auspuffgas zum Beispiel durch eine der V-förmig angeordneten Zylinderreihen eines Motors beaufschlagt wird, während der andere Einlass durch die andere Zylinderreihe versorgt wird, indem beide V >luten jeweils einen Sektor des Turbinenrades beaufschlagen.

L 8. - Auspuffsammeirohr nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass die zwei halben Voluten 59 miteinander insbesondere dann in Verbindung stehen, wenn die Zündung der jeweiligen Zylinder einer jeden Zylinderreihe nicht regelmassig stattfindet.

L 9. - Auspuffsammeirohr nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, daee die zwei halben V >luten 56 insbesondere in einem Motor mit mindestens 8 V-fSrmig angeordneten Zylindern, in welchem die Zündung der jeweiligen Zylinder je Reihe regelmässig stattfindet, ν meinander isoliert sind.

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20. - Auspuffsammelrohr nach Anspruch 14 ulcr 15 dadurch gekennzeichne t, dass die genannte Leitung aus einem kegelstumpf formigen Anschlusssystem 61 besteht, de: sen kleinere Basis mit dem Auspuffsammiilrohr verbunden ist und dessen grössere Basis das Turbine» rad 52 überdeckt, wobei dieses System 61 ein spilzb igenftJrmiges Stück, welches die Nabe des Turbinenrades überdeckt, sjwie eine Beschaufelung 64 enthält, die zwischen dem Spitzbogen 63 und dem Anschlusssy κ tem 61 in radialer Richtung so angeordnet ist, dass die Auspuffgase auf die Flügel 53 des Turbinenrades 52 mit dem gewünschten Einfallswinkel beaufschlagt werden.

21. - Auspuffsammeirohr nach einem der Ansprüche 6 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass es aus mehreren Abschnitten 70, 80, 90 besteht, die stossweise miteinander befestigt werden, wobei jeder Sammelrohrabschnitt mit der zugehörigen Anschlussleitung 78, 81, 91 an den entsprechenden Zylinder aus einem einzigen Stück besteht.

22. - Auspuffsammelr >hr nach Anspruch 21 dadurch gekennzeichnet,

dass die Achse der Anschlussleitung 78, 81, 91 im Bereich ihrer Mündung in den entsprechenden Auspuffsammelrohrabschnitt 70, 80, 90 mit der Längsachse des Sammelrohrabschnittes einen Winkel von etwa 30° einschliesst.

23. - Brennkraftmaschine, die zum Beispiel aufgeladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Auspuffsammeirohr nach einem der Ansprüche 6 bis 22 ausgerüstet ist.

809830/0882