DE2021600A1

DE2021600A1 - Auspuffsystem fuer Vierzylinder-Reihen- und Achtzylinder-V-Motoren mit Abgasturbolader

Info

Publication number: DE2021600A1
Application number: DE19702021600
Authority: DE
Inventors: Dieter Bergmeier; Hans-Joachim Dr-Ing Klaue; Josef Dr-Ing Reisacher
Original assignee: Kuehnle Kopp and Kausch AG
Current assignee: Howden Turbo GmbH
Priority date: 1970-05-02
Filing date: 1970-05-02
Publication date: 1971-11-11

Description

B e s c h r e i b u n g Auspuffsystem für Vierzylinder-Reihen- und Achtsylinder-v-Motoren mit Abgasturbolader Die Erfindung betrifft ein Auspuffsystem für Vierzylinder-Reihen-bzw. Achtzylinder-V-Motoren mit Abgasturboladern. Sie ist besonders für Anlagen mit solchen Turboladern bestimmt, welche hohe Energiepulsationen am Turbineneintritt mit gutem Wirkungsgrad verwerten können. Da soclhe Turbolader in letzter Zeit neu entwickelt wurden, ist es besonders sinnvoll, hierfür geeignete Auspuffsysteme zu erstellen.
Bisher wurden die Auspuffleitungen ohne Rücksicht auf den Abgasturbolader zunächst so verlegt, wie sie sich an dem Motor aus der zweckmäßigen Zusammenfassung einzelner Zylindergruppen ergaben.
Sie wurden dann je nach Anordnung des. Laders am Motor so ZU der turbine geführt, wie es sich aus räumlichen Gründen am zweckmäßigsten ergab. Dies gestattet jedoch nicht, die starkpulsierende Energie-der Auspuffstöße im Abgasturbolader mit gutem Wirkungsgrad auszunutzen.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Auspuffsystem für Vierzylinder-Reihen- bzw. Achtzylinder-V-Motor-en zu schaffen, das vom Zylinderaustritt bis zum Laufrad der Abgasturbine eine strömungstechnische Einheit bildet und daher die beste Ausnutzung insbesondere der hohen Energiepulsationen gestattet.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß die mittleren Zylinder 2 und 3, in Längsrichtung des Motors gezählt, in einer Leitung zusammengefaßt sind und die äußeren Zylinder 1 und 4 getrennte Auspuffleitungen besitzen, und daß diese drei Leitungen getrennt bis direkt vor das Laufrad der Abgasturbine geführt werden, und daß der Querschnitt jeder dieser drei Leitungen kurz vor der Turbine kleiner ist als der Zulaufquerschnitt an der Zunge der einflutigen Spirale des Eintrittsgehäuses der Turbine.
Zusätzlich ergab es sich als besonders vorteilhaft im Sinne der Erfindungsaufgabe, daß die Einzelquerschnitte dieser drei Leitungen kurz vor der Turbine je zwischen 85 und 95 des Zulaufquerschnittes an der Zunge der Turbinenspirale betragen.
Eine besonders günstige strömungstechnische und konstruktive Maßnahme im Rahmen der Erfindung ist es ferner, das Turbineneintrittsgehäuse direkt an den Zylinderkopf des Motors unter Wegfall der üblichen Auspuffleitungen anzuschrauben und strömungstechnisch zusammen mit dem Zylinderkopf als Einheit auszubilden.
Weitere vorteilhafte Gestaltungsmöglichkeiten werden im Rahmen der Beschreibung anhand der Bilder Fig. 1 bis 8 erläutert.
Fig. 1 und 2 stellen eine schematische Draufsicht auf einen Vierzylinder-Reihen-Motor mit dem erfindungsgemäßen Auspuffnystem dar.
Fig. 3 und 4 zeigen eine besonders vorteilhafte Zusammenfassung der drei getrennten Auspuffleitungen am Eintrittagehäuse des Abgasturboladers.
Fig. 5 und 6 zeigen das erfindungsgemäße Auspuffsystem an der 2. Reihe eines Achtzylinder-V-Notors.
Fig. 7 und 8 zeigen die entsprechenden Auspuffsysteme bei Anordnung des Laders an der Stirnseite des Motors.
In Fig. 1 handelt es sich um einen Vierzylinder-Reihen-Motor, bei dem die Zylinder 1 bis 4 einen gemeinsamen Zylinderkopf 5 besitzen.
Bei diesem sind die mittleren Zylinder 2 und 3 in der Leitung 7 zusammengefaßt. Der Zylinder 1 besitzt die getrennte Auspuffleitung 6, der Zylinder 4 die getrennte Auspuffleitung 8. Dies. drei Leitungen werden kurz bevor das Gas' das Turbinenlaufrad, d.h. den Abgasturbolader erreicht, auf die Querschnitte 9 verengt. Diese Querschnitte 9 sind kleiner als der angedeutet@ Querschnitt 10 an der Zunge der oleflutigen Spirale des Eintrittsgehäuses der unter 21 angedeuteten Turbine des Abgasturboladers.
Die Untersuchungen haben ergeben, daß es günstig ist, den Querschnitt 9, der kleiner sein soll als der Querschnitt 10, zwischen 85 und 95* des Querschnittes, 10 auazufUhren. Außerdem sollen die Querschnitte so gelegt werden, daß die Austrittsgeschwindigkejt aus dem Querschnitt 9 mit möglichst geringer Umlenkung auf kürzestem wege ohne weitere wesentliche Beschleunigung direkt zur Eintrittsgeschwindigkeit in das Turbinenlaufrad übergeführt wird. Die natürliche Beschleunigung entsprechend dem Drallsatz ist davon ausgenommen. Bei einer solchen Dimensionierung der Querschnitte tritt kein nennenswerter Übertritt des Gases z.B. von der Abgasleitung 6 des Zylinders 1 in die Abgasleitung 7 der Zylinder 2 und 3 und die Leitung 8 des Zylinders 4 auSßund die Impulswellen vom Zylinder 1 können dementsprechend mit geringsten Abzweigverlusten von der Turbine genutzt werden. Das gleiche gilt natürlich für die übrigen Zylinder.
Infolge der kurzen, möglichst wenig gekrümmten Leitungen erhält man den weiteren Vorteil, daß die Leitungsquerschnitte besonders eng ausgeführt werden können, ohne daß sich ein wesentlicher Druckverlust ergibt.
Fig. 1 zeigt weiterhin eine konstruktive Ausführung der Erfindung, bei der man auf die Auspuffleitungen als getrennte Teile ganz verzichtet hat und das Turbinenzuströrgehäuse 22 direkt an den Zylinderkopf angeflanscht ist. Das Turbinengehäuse bildet dabei, wie man aus Fig. 1 erkennen kann, eine strömungstechnische Einheit mit dem Zylinderkopf, die die geringsten Verluste ergibt.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung des Auspuffsystems an einem Vierzylinder-Reihen-Motor, bei dem Einzelzylinderköpfe ausgeführt sind.1 Hier ist nicht eine so enge Verbindung zwischen Auspuffleitungssystem und Zylinderkopf möglich. Im übrigen entspricht aber die Ausführung voll und ganz der Erfindung.
Bei dem Vierzylinder-Reihen-Motor nach Fig. 1 und'2 sind drei Auspuffleitungen mit Endquerschnitten 9 an dem Turbineneintrittsgehäuse zusammenzufassen. Die Bilder Fig. 3 und 4 zeigen eine besonders günstige Ausführung hierfür. Dabei stellt Fig. 3 in etwa eine Draufsicht auf den Flansch am Turbinengehäuse dar, während Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie A-B bedeutet. Die drei Leitungsquerschnitte sind mit 17, 18 und 19 bezeichnet. Entsprechend sieht man in Fig. 4 im Schnitt die beiden Abschnitte 17 und 18. Die Anordnung nach Fig. 3 entspricht etwa der von drei Kreissektoren, die sich mit radialen Seiten zu je zwei berühren, so daß ein voller Kreisumfang ausgefüllt ist und bei einer idealen symmetrischen Anordnung die Zentrumswinkel der einzelnen Sektoren 1200 betragen. Nach Fig.4 wird am Eintritt in das Turbinengehäuse der Querschnitt 17 sowie 18 auf kurzer Strecke stark verengt in den Querschnitt 9 übergeführt.
Man erreicht so den Vorteil, daß die Strömung aus allen drei Endquerschnitten der Leitungen 17, 18 und 19 mit geringster Umlenkung in die Strömung im Querschnitt 10 übergeführt wird.
Bei Achtzylinder-Motoren in V-Anordnung wird das Auspuffsystem der 1. Zylinderreihe ausgefuhrt wie bei einem Vierzylinder-Reihen-"Motor.
Für die 2. Reihe des V-Motors muß jedoch wegen der Zündfolge eine andere Zusammenfassung der Abgaskanäle erfolgen. Figur 5 und 6 zeigen, wie dies im Sinne der Erfindung vorteilhaft ausgeführt wird.
Hierbei zeigt Fig. 5 eine Ausführungsmöglichkeit bei gemeinsamem Zylinderkopf 5 und Fig. 6 das gleiche bei getrennten ZylinderkUpfen für die einzelnen Zylinder 11 bis 14. Man sieht, daß jeweils die beiden ersten Zylinder 11 und 12 in eine Leitung 15 zusammengefaßt sind, während die Zylinder 13 und 14 die Auspuffleitung 16 besitzen.
Die beiden Auspuffleitungen führen zum engsten Querschnitt 9, der wiederum direkt am Turbineneintritt liegt und erfindungsgemäß kleiner ist als der Zulaufquerschnitt 10 an der Zunge der Spirale des urbinengehäuses. Auch hier kann, wie Fig. 5 zeigt, das Turbinengehäuse direkt als Auspuffleitungssystem ausgebildet sein und direkt an den Zylinderkopf angeflanscht werden.
Fig. 7 und 8 zeigen Ausführungsmöglichkeiten für das Auspuffsystem nach der Erfindung bei Anordnung des Abgasturboladers an der Stirnseite des Motors. Bei den bisher beschriebenen Ausführungen lag dieser in der Mitte der Längsseite des Motors, was naturgemäß die kürzeste Leitungsführung ermöglieht. In Fig. 7 ist die Ausführung an einem Vierzylinder-Reihen-Motor gezeigt, bei dem wieder die Zylinder 2 und 3 in einer Leitung 7 zusammengefaßt sind und die Zylinder 1 und 4 jeder für sich eine Auspuffleitung 6 bzw. 8 besitzen.
Bei der 2. Reihe des Achtzylinder-V-Motors nach Fig. 8 dagegen sind wieder die Zylinder li und 12 in einer Leitung 15 und die Zylinder 13 und 14 in einer Leitung 16 zusammengefaßt.
Das Auspuffsystem nach der Erfindung hat den Vorteil, daß die einzelnen Leitungen die geringstmöglichen Toträume und die geringstmögliche Länge bei möglichst wenig gekrümmter Leitungsführung besitzen. Es entstehen daher die geringsten Energieverluste. Außerdem ist bei dieser Ausführung die kleinste Mengenüberströmung von einer Leitung, die gerade den größten Energiestrom führt, in die benachbarten Leitungen zu erwarten. Die einflutige Ausführung des Spiralgehäuses der Abgas turbine beaufschlagt das Laufrad stets am ganzen Umfang und in ganzer Breite, wodurch die eilbeaufschlagungsverluste entfallen. Dadurch ergeben sich vor allem im Zusammenhang mit Abgasturbinen, welche die nun besonders durch die Verkleinerung der Auspuffleitungsquerschnitte und der Sacklochvolu-.
mina erhöhte Pulsation in mechanische Energie mit gutem Wirkungsgrad umsetzen können, beträchtliche Energiegewinne, welche sich letzthin im Brennstoffverbrauch des Motors ausdrücken. Außerdem erreicht man dadurch einen wesentlich flacheren Verlauf des Ladedruckes über der Motordrehzahl, so daß die tberbeanspruchung durch Zünddrücke und die unnötig hohen Ballastluftmengen bei hohen Motordrehzahlen wegfallen.

Claims

Patentansprüche

Auspuffsystem für Vierzylinder-Reihen- und Achtzylinder-V-Motoren mit Abgasturbolader 1. Auspuffsystem für ?ierzylinder-Reihen-Motoren mit Abgasturbolader dadurch gekennzeichnet, daß die mittleren Zylinder (2 und 3), in Längsrichtung des Motors gewählt, in einer Leitung zusammengefaßt sind und die äußeren Zylinder (1 und 4) getrennte Aupuffleitungen besitzen und daß diese drei Leitungen getrennt bis direkt vor das Laufrad der Abgas turbine geführt werden und daß der Endquerschnitt (9) jeder dieser drei Leitungen kurz vor der Turbine kleiner ist alu der Zulaufquerschnitt (10) an der Zunge der einflutigen Spirale des Eintrittsgehäuses der Turbine.
2. Auspuffsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endquerschnitte (9) der drei Auspuffleitungen je zwischen 85 und 95« des Zulaufquerschnittes (10) an der Zunge dee Spiraleneintrittsgehäuses der turbine be tragen.
3. Auspuffsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbineneintrittsgehäuse (22) direkt an den Zylinderkopf (5) unter Wegfall der üblichen Auspuffleitungen angeschraubt und strömungstechnisch zusammen mit dem Zylinderkopf als Einheit ausgebildet ist.
4. Auspuffsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Auspuffleitungen am Eintritt in das Turbinengehäuse bis zum Endquerschnitt (9) etwa als Kreissektoren so angeordnet sind, daß die radialen Seiten von je zwei nebeneinanderliegenden Querschnitten sich berühren (Fig. 3).
5. Auspuffsystem nach Anspruch 1 und 2 sowie 4, dadurch gekennezeichnet, daß die einzelnen Auspuffleitungen auf kürzestem Wege vom Querschnitt (17, 18, 19) am Eintritt in das Turbinengehäuse auf den Endquerschnitt (9)- verengt-werden und daß ein möglichst direkter und störungsfreier tbergang Jeder Einzelleitung in den gemeinsamen Querschnitt (10) erfolgt (Fig. 4).
6.-- Auspuffßystem für Achtsylinder-V-Motoren mit Abgasturbolader nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch: gekennzeichnet, daß die 1. Reihe des Motors nach Anspruch 1 mit drei getrennten Auspuffleitungen ausgeführt ist und daß an der 2. Reihe die nebeneinanderliegenden Zylinder (11 und 12 sowie 13 und 14) in je einer Leitung zusammengefaßt sind, wobei die beiden Leitungen voneinander getrennt bis zum Endquerschnitt (9) geführt werden.