DE3121341C2

DE3121341C2 - Abgasleitungssystem zwischen einer nach dem Stauprinzip aufgeladenen, mehrzylindrigen Brennkraftmaschine und einem Abgasturbolader

Info

Publication number: DE3121341C2
Application number: DE3121341A
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: 1984-09-20
Also published as: JPS57200617A; FR2506837B1; FR2506837A1; DE3121341A1; ES512274A0; CH659853A5; ES8303605A1; JPH0419369B2

Abstract

Bei einem Abgasleitungssystem zwischen einer nach dem Stauprinzip aufgeladenen, mehrzylindrigen Brennkraftmaschine und einem Abgasturbolader soll durch geeignete Maßnahmen das Energieangebot an der Turbine erhöht sowie das Teillastverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden. Hierzu sind von den zylinderkopfseitigen Abgasauslässen der Brennkraftmaschine verbessert werden. Hierzu sind von den zylinderkopfseitigen Abgasauslässen der Brennkraftmaschine abzweigende, gekrümmte Verbindungskanäle (1) vorgesehen, die jeweils aus einem zylinderkopfseitig abgehenden, gekrümmten Teilstück (4) bestehen, von denen jedes sich in Form eines Diffusors (5) fortsetzt. Letzterer erweitert sich dabei auf den Durchmesser D ↓A ↓L der an die Turbine des Abgasturboladers angeschlossenen Abgassammelleitung (3) und mündet in letztere unter einem Winkel von etwa 45 ° sowie mit kreisförmigem, ovalem oder ähnlichem Querschnitt ein. Außerdem weist jeder Diffusor (5) auf seiner Druckseite ein geradlinig in die Abgassammelleitung (3) einlaufendes Teilstück (8) auf. Der Durchmesser D ↓A ↓L der Abgassammelleitung (3) gehorcht folgender Gleichung, nämlich (Formel) wobei mit V ↓H das Hubvolumen eines Maschinenzylinders, mit i deren Anzahl und mit l ↓A ↓L die Länge der Abgassammelleitung (3) bezeichnet sind. Der Übergang von letzterer zum Tur bineneintritt (2) ist als Doppeldiffusor (9) ausgeführt.

Description

wobei mit V₁₁ das Hubvolumen eines Zylinders der Brennkraftmaschine, mit ι die Anzahl der an die Abgassammelleitung (3) angeschlossenen Zylinder und mit /,,,. die Länge der Abgassammelleitung (3) bezeichnet sind,
— 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 0,3fachen des Durchmessers D_AL der Abgassammelleitung (3) besitzt.

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

Die Erfindung betrifft ein Abgasleitungssystem zwischen einer nach dem Stauprinzip aufgeladenen, mehrzyiindrigen Brennkraftmaschine und einem Abgasturbolader, bei dem die zylinderkopfseitigen Abgasauslässe der Brennkraftmaschine über gekrümmte Verbindungskanäle mit einer an die Turbine des Abgasturboladers angeschlossenen Abgassammelleitung verbunden sind, wobei jeder der Verbindungskanäle aus einem zylinderkopfseitig abgehenden, in Richtung Turbine gekrümmten Teilstück, das sich in Form eines Diffusors fortsetzt, besteht, welch letzterer sich auf den Durchmesser D_AL der Abgassammelleitung erweitert und in diese mit kreisförmigem, ovalem oder ähnlichem Querschnitt sowie mit einer Neigung ι seiner Achse von etwa 45' zu deren Längsachse einmündet.

Ein solches Abgasleitungssystem kann der MTZ 1941, Heft 12, Seite 388. Bild 7 oben mit zugehörigem Text entnommen werden. Neben der darin als vorteilhaft ausgewiesenen Ausbildung der gekrümmten Verbindungskanäle ist jedoch gleichzeitig vorgeschlagen, um schädliche Druckschwankungen zu vermeiden, die Abgassammelleitung querschnittsmäßig zu vergrößern. Ein vergrößertes Abgasaufnahmevolumen der Abgassammelleitung kann nun zwar die Auswirkungen der Auspuffstöße mindern; gleichzeitig wird aber jener Nachteil in Kauf genommen, daß der Turbine Abgas mit niedrigerem Arbeitsdruck zuführbar ist. Der Wirkungsgrad des Abgas-

is turbolader ist damit insgesamt gesehen nur begrenzt verbesserbar.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Abgasleitungssystem mit den eingangs angegebenen Merkmalen dahingehend auszubilden, daß das Energieangebot an der Turbine des Abgasturboladers vergrößerbar ist, das heißt die kinetische Energie des Abgases soll möglichst verlustarm in einen höheren als mit bislang bekannten Mitteln erreichbaren statischen Druck umgewandelt werden können.

Diese Aufgabe ist bei einem Abgasleitungssystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Kombination folgender, im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebener Merkmale gelöst, nän.lich

— jeder Verbindungskanal weist auf seiner Druckseite im Bereich des Diffusors ein geradlinig in die Abgassammelleitung einlaufendes Teilstück auf,

— der Durchmesser D_AL der Abgassammelleitung gehorcht nachstehender Gleichung, nämlich

D_AI=

π · L

wobei mit V₁₁ das Hubvolumen eines Zylinders der Brennkraftmaschine, mit / die Anzahl der an die Abgassammelleitung angeschlossenen Zylinder und mit l_AL die Länge der Abgassammelleitung bezeichnet sind, so daß sich das Abgasaufnahmevolumen der Abgassammelleitung als die Hälfte des Gesamtvolumens aller Maschinenzylinder darstellt,
— 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 einem zylinderkopfseitigen Abgaskanal in den anschließenden Verbindungskanal 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 wesent-

Hch höhere Arbeitsfähigkeit der aus den Zylindern austretenden Abgase gegeben, als dies bei bisher bekannten Systemen möglich war. Der Durchmesser der Abgassammelleitung ist erfindungsgemäß auf das Hubvolumen der Zylinder der Brennkraftmaschine abgestellt, wobei das Abgasaufnahmevolumen der Abgassar.imelleitung der Hälfte des Gesamtvolumens aller Maschinenzylinder entspricht; hierdurch ergeben sich gegenüber bekannten wesentlich volumenkleinere Abgassammelleitungen.

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 IMI,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Abgasleitungssystem entlang der in Fig. 2 eingetragenen Schnittlinie II1-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 dcj 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 fortgesetzt. Der Gaseintrittsquerschnilt jedes gekrümmten Teilslückes 4 in vornehmlich kreisrund und an den Durchmesser der zylinderkopfseitigen Abgasauslässe angepaßt ausgebildet. .leder sich daran anschließende Diffusor 5 erweitert sich erfindungsgemäß auf den Durchmesser D₁, der Abgassammelleitung 3 und mündet in letztere mit kreisförmigem oder ovalem oder ähnlichem Querschnitt sowie mit einer Neigung α seiner Achse 6 von etwa 45 zur Längsachse 7 der Abgassammelleitung 3 in diese ein. Der in Fig. 2zwischender Achse 6jedes Diffusors und der Achse 7 der Abgassammelleitung eingeschlossene Neigungswinkel α 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 S in die Abgassammelleitung 3 erstreckt, besitzt in vorteilhafter Weise eine Länge von mindestens dem 0.3fachen des Durchmessers D₁₁ der Abgassammelleitung 3.

Der Durchmesser D₁₁ der Abgassammelleitung 3 gehorcht erfindungsgemäß nachstehender Gleichung, nämlich

Sammelleitung 3 angeschlossenen Zylinder und mit I_AL 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 dsbei das äußere DifTusorrohr 10 des Doppeldiffusors 9 einen größeren Öffnungswinkel als das darin konzentrisch angeordnete DifTusorrohr 12 und ist mit seinem turbinenseitigen Austrittsquerschnitt an den Querschnitt des Turbineneintritts 2 angepaßt. Das innere DifTusorrohr 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 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 Befestigungsflansch 15. mit dem er direkt - oder unter Zwischenschaltung eines weiteren Dilatationskompensators - am Turbinengehäuse des Abgasturbolader festgelegt ist; darüber hinaus besitzt auch jeder

«ι 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 Strömungsgeschwindigkeil 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 ei-

6<) nem größeren Energieangebot und ruft insbesondere auch ein günstiges Teillastverhalten sowie ein besseres Beschleunigungsverhalten hervor.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

wobei mit \'„ das Hubvolumen eines Zylinders der Brennkraftmaschine, mit / die Anzahl der an die Abg;is-

Claims

Patentansprüche:

1. Abgasleitungssystem zwischen eine* nach dem Stauprinzip aufgeladenen, mehrzyiindrigen Brennkraftmaschine und einem Abgasturbolader, bei dem die zylinderkopfseitigenAbgasauslässe der Brennkraftmaschine über gekrümmte Verbindungskanäle mit einer an die Turbine des Abgasturboladers angeschlossenen Abgassammelleitung verbunden sind, wobei jeder der Verbindungskanäle aus einem zylinderkopfseitig abgehenden, in Richtung Turbine gekrümmten Teilstück, das sich in Form eines Diffusors fortsetzt, besteht, welch letzterer sich auf den Durchmesser D_AL der Abgassammelleitung erweitert und in diese mit kreisförmigem, ovalem oder ähnlichem Querschnitt sowie mit einer Neigung σ seiner Achse von etwa 45° zu deren Längsiche einmündet, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale

— jeder Verbindungskanal (1) weist auf seiner Druckseite im Bereich des Diffusors (5) ein geradlinig in dieAbgassammelleitung(3)einlaufendes Teilstück (8) auf,

— der Durchmesser D_AL der Abgassammelleitung (3) gehorcht nachstehender Gleichung, nämlich