DE3121341A1

DE3121341A1 - "abgasleitungssystem zwischen einer nach dem stauprinzip aufgeladenen, mehrzylindrigen brennkraftmaschine und einem abgasturbolader"

Info

Publication number: DE3121341A1
Application number: DE19813121341
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. 8904 Friedberg Zatecky
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1981-05-29
Filing date: 1981-05-29
Publication date: 1982-12-30
Also published as: FR2506837B1; ES8303605A1; CH659853A5; ES512274A0; JPH0419369B2; FR2506837A1; JPS57200617A; DE3121341C2

Description

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Abgasleitungssystem zwischen einer nach dem Stauprinzip aufgeladenen, mehrzylindrigen Brennkraftmaschine und einem Abgasturbolader

Die Erfindung betrifft ein Abgasleitungssystem zwischen einer nach dem Stauprinzip aufgeladenen, mehrzylindrigen Brennkraftmaschine und einem Abgasturbolader, wobei die zylinderkopfseitigen Abgasauslässe der Brennkraftmaschine über gekrümmte Verbindungskanäle mit einer an die Turbine des Abgasturboladers angeschlossenen Abgassammelleitung verbunden sind.

Bei der Stauaufladung einer Brennkraftmaschine wird das 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 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 %.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Abgasleitungssystem der eingangs genannten Art dahingehend auszu-

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bilden, 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 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.

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 bestehen jeweils aus einem zylinderkopfseitig abgehenden, gekrümmten Teilstück, das sich in Form eines Diffusors fortsetzt, der sich auf den Durchmesser der Abgassammelleitung erweitert, in letztere mit kreisförmigem, ovalem oder ähnlichem Querschnitt sowie mit einer Neigung Ck seiner Achse von etwa 45 zu deren Längsachse einmündet und auf seiner Druckseite ein geradlinig in die Abgassammelleitung einlaufendes Teilstück aufweist,

- der Durchmesser D_ÄT der Abgassammelleitung gehorcht nachstehender Gleichung, nämlich

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

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- die Abgassammelleitung ist über einen Doppeldiffusor 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 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 anschließenden Diffusor verzögert und gleichzeitig infolge der Schrägstellung des Diffusors in Richtung zum Abgasturbolader umgelenkt. Die kinetische Energie des Abgases wird dabei teilweise in statischen Druck umgewandelt und teilweise an das im Abgassammelrohr vorhandene Abgas weitergegeben. Ein weiterer Teil der kinetischen Energie des ausströmenden 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 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,

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letzteres aufgrund der volumenkleineren Abgassammelleitung und wegen kleinerer Zubehörteile, wie beispielsweise die erforderlichen, jedoch kleineren Dilatationskomp ens ato r en.

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,
15

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 einge

tragenen 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.

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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 D der Abgassammelleitung 3 und mündet in letztere mit kreisförmigem oder ovalem oder ähnlichem Querschnitt sowie mit einer Neigung <* seiner Achse 6 von etwa 45 zur Längsachse 7 der Abgassammelleitung in diese ein. Der in Fig. 2 zwischen der Achse 6 jedes Diffusors und der Achse 7 der Abgassammelleitung eingeschlossene Neigungswinkel o(. 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 Verbindungskanales und der Einmündungsstelle des Diffusors 5 in die Abgassammelleitung 3 erstreckt, besitzt in vorteilhafter Weise eine Länge von mindestens dem 0,3-fachen des Durchmessers D der Abgassammelleitung 3.

Der Durchmesser D der Abgassammelleitung 3 gehorcht erfindungsgemäß nachstehender Gleichung, nämlich

^VH

irι

AL

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wobei mit V„ das Hubvolumen eines Zylinders der Brennkraftmaschine, mit i die Anzahl der an die Abgassammelleitung 3 angeschlossenen Zylinder und mit 1 die Länge das Abgassammelleitung 3 bezeichnet sind. 5

Darüber hinaus ist entsprechend einem weiteren Kombinationsmerkmal der Erfindung die Abgassammelleitung 3 über einen Doppeldiffusor 9 an den Turbineneintritt 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 alternativ 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 fer-5 ner die einzelnen Leitungsstücke 13 der Abgassammel-

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leitung 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 Befestigungsflansch 15, mit dem er direkt - oder unter Zwischenschaltung eines weiteren Dilatationskompensators - 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 turbineneintrittsseitigen 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.

Leerseite

Claims

PB 3106/1514 - f '-Patentansprüche:

Γ)

1 J Abgasleitungssystem zwischen einer nach dem Stau-(V

prinzip aufgeladenen, mehrzylindrigen Brennkraftmaschine und.einem Abgasturbolader, wobei die zylinderkopfseitigen Abgasauslässe der Brennkraftmaschine über gekrümmte Verbindungskanäle 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 Diffusors (5) fortsetzt, der sich auf den Durchmesser D
der Abgassammelleitung (3) erweitert, in letztere mit kreisförmigem, ovalem oder ähnlichem Querschnitt sowie mit einer Neigung ck 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 D der Abgassammelleitung (3) ge-'horcht nachstehender Gleichung, nämlich

r- \

Kr
AL

wobei mit V„ das Hubvolumen eines Zylinders der Brennkraftmaschine, mit i die Anzahl der an die Abgassammelleitung (3) angeschlossenen Zylinder und mit 1 die Länge der Abgassammelleitung (3)

£\j-J

bezeichnet sind,

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- die Abgassammelleitung (3) ist über einen Doppeldiffusor (9) an den Turbineneintritt (2) des Abgasturboladers angeschlossen.
2. Abgasleitungssystem nach Anspruch 1/ dadurch gekennzeichnet, daß das geradlinige Teilstück (8) jedes Diffusors (5) eine Länge von mindestens dem 0,3-fachen des Durchmessers D 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 Doppeldiffusor (9) jeweils einstückig durch Gießen hergestellt sind.
5. Abgasleitungssystem nach einem oder mehreren 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 Doppeldiffusors (9) einen größeren öffnungswinkel als das darin konzentrisch mittels Streben (11) gehaltene

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innere Diffusorrohr (12) besitzt und mit seinem turbinenseitigen Austrittsquerschnitt an den Querschnitt des Turbineneintritts (2) angepaßt ist.