DE3329961A1

DE3329961A1 - Abgasleitungssystem zwischen einer nach dem stauprinzip aufgeladenen mehrzylindrigen brennkraftmaschine und einem abgasturbolader

Info

Publication number: DE3329961A1
Application number: DE19833329961
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. 8904 Friedberg Zatecky
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Priority date: 1983-08-19
Filing date: 1983-08-19
Publication date: 1985-03-07
Also published as: DE3329961C2

Description

PB 3233/1643

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

Die Erfindung betrifft ein Abgasleitungssystem mit Merkmalen wie im Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben.

Ein solches Abgasleitungssystem ist aus der DE-OS 3 121 341 bekannt.

Bei der Stauaufladung einer Brennkraftmaschine wird das Abgas aller Zylinder in eine gemeinsame Abgas-Sammelleitung eingeleitet und von dort unter annähernd konstantem Druck der Turbine des Abgasturboladers zugeführt. 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 verloren geht, sofern keine dies vermeidenden Maßnahmen getroffen sind. Eine vorteilhafte Lösung dieses Problems ist bereits mit dem Abgasleitungssystem entsprechend der DE-OS 3 121 angegebenen worden. Dieses bekannte Abgasleitungssystem umfaßt einen Doppeldiffusor am turbinenseitigen Ende der Abgassammelleitung. Es hat sich in der Praxis ge-

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zeigt, daß an einer Brennkraftmaschine meist kein Platz mehr für die Anordnung eines solchen Diffusors vorhanden ist. Läßt man diesen Diffusor aber weg, geht ein Teil der erzielbar vorteilhaften Wirkung verloren.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ausgehend vom bekannten ein Abgasleitungssystem mit einer Abgassammelleitung zu schaffen, das gegebenenfalls auch ohne einen Diffusor bzw. Doppeldiffusor ein vergleichsweise gutes Abgasenergieangebot an der Turbine des Abgasturboladers bereitzustellen vermag.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Abgasleitungssystem mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachstehend ist das erfindungsgemäße Abgasleitungssystem anhand der Zeichnung naher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1: eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispieles eines AbgasIeitungssystemes mit der erfindungsgemäßen AbgasSammelleitung für eine mehr-

zylindrige Brennkraftmaschine,

Figur 2: einen Schnitt durch das Abgasleitungssystem von Figur 1 entlang der dort eingetragenen Schnittlinie II-II,

Figur 3: einen Schnitt durch das Abgasleitungssystem

von Fig. 1 und 2 entlang der in Fig. 2 eingetragenen Schnittlinie III-III,

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. 5-

Figur 4: einen Schnitt durch das Abgasleitungssystem

von Figur 1 und 2 entlang der in Figur 2 eingetragenen Schnittlinie "IV-IV,

Figur 5: einen Schnitt durch das Abgasleitungssystem von Figur 1 und 2 entlang der in Figur 2 eingetragenen Schnittlinie V-V.

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.

Die Verbindungskanäle 1 bestehen jeweils aus einem zylinderkopfseitig abgehenden, gekrümmten zylindrischen oder sich keglig erweiternden 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 an ein solches gekrümmtes Teilstück 4 anschließende Diffusor 5 erweitert sich auf den Durchmesser Dj. der Abgassammelleitung 3 und weist an seinem abgassammelleitungsseitigen Ende einen ovalen oder ähnlichen Querschnitt auf. Die Achse 6 jedes Diffurors 5 steht dabei unter einem Winkel ⁰^ von etwa 45° geneigt zur Längsachse 7 der Abgassammelleitung 3. Der Winkel O^ kann auch einige Grade unter oder über 45° liegen. Jeder Diffusor 5 besitzt außerdem auf seiner

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Druckseite, das ist die dem Abgasturbolader jeweils abgewandte Seite, ein geradlinig auf die Abgassammelleitung 3 zulaufendes Teilstück 8'. Letzteres besitzt in vorteilhafter Weise eine Länge von wenigstens -dem 0,2 bis 0,3 -fachen des Durchmessers D der Abgassammelleitung 3. Im dargestellten Ausführungsbeispiel mündet jeder Verbindungskanal 1 mit dem Diffusor 5 direkt in die Abgassammelleitung 3 ein. Alternativ hierzu kann sich an den Diffusor 5 jedes Verbindungskanales 1 auch ein querschnittsgleiches, zylindrisches, kurzes Zwischenstück anschließen, dessen Achse mit jener des Diffusors 5 fluchtet und mit dem dann der Verbindungskanal 1 in die AbgasSammelleitung 3 einmündet.

Die Schnittebene V-V (siehe Figur 2) steht senkrecht zur Achse 6 des Verbindungskanales 1 und geht durch den Schnittpunkt der Achse 6 des Verbindungskanales mit der Abgassammelleitungsinnenseite. Die hierdurch gebene Querschnittsfläche A_n eines Verbindungskanales ist aus Figur 5 ersichtlich. In vorteilhafter Weise
besitzt diese auf die Schnittebene V-V projezierte
Querschnittsfläche A eine Größe, die sich aus folgender Formel ergibt, nämlich

A₀ = 0,85 τ 1,15 A^.. °^m

33,5

Dabei ist mit A^ die Kolbenfläche bzw. der Zylinderbohrungsquerschnitt und mit C die mittlere Kolbengeschwindigkeit bei Auslegungsdrehzahl· der Brennkraft-

maschine zu verstehen.

Erfindungsgemäß weist die AbgasSammelleitung 3 einen Durchmesser D_AT auf, der sich aus nachstehender Formel ergibt:

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⁰AL ⁼ °'⁸ * ^X'^{2 D}K

Dabei sind unter D_K der Bohrungsdurchmesser eines Zylinders der Brennkraftmaschine, unter H der Kolbenhub und unter a der Abstand der Achsen der einzelnen Zylinder zu verstehen.

Die einen runden Abgasquerschnitt aufweisende Abgas- _ Sammelleitung 3 ist vorzugsweise aus mehreren, wärmeelastisch nachgiebig miteinander verbundenen und gegeneinander abgedichteten Leitungsstücken 9 zusammengesetzt, von denen jedes wenigstens einen Verbindungskanal 1 trägt. Zwischen die einzelnen Leitungsstücke sind jeweils Dilatationskompensatoren 10 eingeschaltet. Es können jedoch auch andere Verbindungen vorgesehen sein. Die einzelnen Leitungsstücke 9 der AbgasSammelleitung 3 sind vorzugsweise zusammen mit den in sie einmündenden Verbindungskanälen 1 jeweils einstückig durch Gießen hergestellt.

Die so zusammengesetzte Abgassammelleitung 3 kann entweder direkt oder- wie in der Zeichnung dargestellt unter Zwischenschaltung eines Dilatationskompensators am Turbinengehäuse 2 des Abgasturboladers festgelegt sein.

Beim Eintritt des Abgases in die Verbindungskanäle 1 wird dieses zunächst im jeweiligen gekrümmten Teilstück

_ partiell in eine neue Richtung umgelenkt, dann innerhalb jedes Diffusors 5 an dessen geradlinigem Teilstück stabilisiert und mit Druckrückgewinn in die Abgassammelleitung 3 in das dort bereits vorhandene Abgas eingeleitet. Durch die erfindungsgemäße Bemessung der

_ Abgassammelleitung 3 ergibt sich eine besonders gute Ausnutzung der in den Abgasen vorhandenen Energie für einen hohen Turboladerwirkungsgrad.

Claims

1. JAbgasleitungssystem zwischen einer nach dem Stau-
^— 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, welche Ver-

bindungskanäle jeweils aus einem zylinderkopfseitig abgehenden, gekrümmten Teilstück bestehen, das sich in Form eines Diffusors fortsetzt, der sich auf den Durchmesser der Abgassammelleitung erweitert, einen ovalen oder ähnlichen Querschnitt aufweist, der

ferner auf seiner Druckseite ein geradlinig zur

Abgassammelleitung hinlaufendes Teilstück aufweist, außerdem mit seiner Achse in einem Winkel CX von
etwa 45 zur Längsachse der Abgassammelleitung steht und direkt oder über ein anschließendes querschnittsgleiches zylindrisches Zwischenstück in die Abgassammelleitung einmündet,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Abgassammelleitung (3) einen Durchmesser D
aufweist, der sich aus folgender Formel ergibt:

^DÄL - °'⁸ * ^λ'² ^DK

wobei mit D„ der Bohrungsdurchmesser eines Zylinders der Brennkraftmaschine, mit H der Kolbenhub und mit a der Achsabstand der Zylinder untereinander bezeichnet sind.

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2. Abgasleitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf eine Schnittebene, die senkrecht zur Achse des Verbindungskanales (1) steht und durch den Schnittpunkt derselben mit der Abgassammelleitunginnenseite geht, projezierte Querschnittsfläche (A_n) eines Verbindungskanales (1) eine Größe besitzt, wie sich aus folgender Formel ergibt:

A_n = 0,85 τ 1,15 JL .

^D ^ 33,5

wobei mit c die mittlere Kolbengeschwindigkeit und m

mit A^ die Kolbenfläche bzw. die Zylinderbohrungsquerschnittsflache zu verstehen sind.

3. Abgasleitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geradlinige Teilstück (8) jedes Diffusors (5) eine Länge von mindestens dem 0,2-bis 0,3-fachen des Durchmessers D₁. der Abgas-

Sammelleitung (3) besitzt.