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Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung Die Erfindung bezieht sich
auf eine Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung, bei welcher die Abgase der
einzelnen Zylinder durch Verbindungsstutzen derart in eine Auspuffsammelleitung
eingeführt werden, daß in dieser eine starke DrallstrÖmung erzeugt wird.
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Bei Schalldämpfern an Reihenbrennkraftmaschinen ist es bekannt, die
Verbindungsstutzen zwischen den einzelnen Zylindern und einer dem eigentlichen Schalldämpfer
vorgeschalteten Sammelleitung im Innern derselben annähernd bis zur dazu senkrechten
Mittelebene vorzuziehen, wobei der Stutzenquerschnitt innerhalb der Leitung gegen
die Mündung hin eine abnehmende Höhe aufweist. Wendet man erfindungsgemäß diese
Maßnahme bei der Auspuffsammelleitung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboladung
an, so kann damit eine Absenkung des statischen Druckes am Mündungsquerschnitt gegenüber
anderen Stellen am Umfang der Sammelleitung erzielt und das Spülgefälle vergrößert
werden. Der durch die in der Sammelleitung vorstehenden Stutzen vergrößerte Strömungswiderstand
wird in Weiterausbildung der Erfindung durch Verbreiterung der Stutzen gegen den
Mündungsquerschnitt hin gemessen parallel zur Sammelleitungsachse wesentlich verringert.
Durch die gleichzeitige Anwendung der erwähnten Maßnahmen wird vermieden, daß die
vorhandene Strömungsenergie der rotierenden Abgase auf dem Wege durch dieAuspuffleitung
infolge Reibung, Impulsaustausch, Störungen an den Einmündungsstellen anderer Zylinder,
auftretende Relativströmung usw. zum großen Teil vor der Ausnützung vernichtet wird.
Zweckmäßigerweise wird innerhalb der Sammelleitung die derenAchse zugewendeteFläche
der Verbindungsstutzen an der Durchdringungsstelle mit der Außenwand der Sammelleitung
in einem Winkel angeordnet, welcher eine starke Krümmung der Stromlinien hervorruft
und der weitere Verlauf dieser Fläche mit geringer Krümmung bis zum Mündungsquerschnitt
ausgeführt. Die durch eine derartige Ausbildung der Auspuffstutzen hervorgerufene
Wirkung der Absenkung des statischen Druckes am Mündungsquerschnitt gegenüber dem
statischen Druck am Außendurchmesser der Sammelleitung kann weiter verbessert werden
durch die Anbringung eines in der Sammelleitung angeordneten, vor der Eintrittsmündung
beginnenden und sich annähernd über 1/s des Umfangs erstreckenden Leitblechs mit
schwacher Krümmung bzw. durch die an sich bekannte Anordnung der Mündungsstellen
der Verbindungsstutzen in einem Abstand von annähernd 1/z bis 1/s des Radius von
der Mantelfläche der Sammelleitung. Eine weitere Vergrößerung des Spülgefälles wird
dadurch erreicht, daß der Querschnitt des Auspuffkanals gleich nach dem Ventilsitz
oder Schlitz beginnend bis zum Mündungsquerschnitt des Verbindungsstutzens in die
Sammelleitung entweder nur verringert oder nur vergrößert wird. Auf diese Weise
wird vor allem eine mehrmalige Erzeugung von kinetischer aus statischer Energie
mit anschließender schlechter Rückumsetzung oder Verwirbelung verhindert und die
Möglichkeit geschaffen, bei entsprechend bemessenen Brennkraftmaschinen durch Ausführung
des Auspuffkanals als Überschalldüse auch überkritische Geschwindigkeiten an der
Einmündungsstelle des Auspuffstutzens in die Auspuffsammelleitung zu erzeugen.
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.In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Auspuffleitung
mit dem Verbindungsstutzen zum Zylinderdeckel, Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II-II
der Fig. 1, Fig. 3 und 4 andere Ausführungsformen, Fig. 5 einen Schnitt nach Linie
V-V der Fig. 4, Fig. 6 einen Schnitt durch den Verbindungsstutzen, beginnend am
Auslaßventil bis zum Eintritt in die Sammelleitung.
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In der Zeichnung ist mit 1 die Auspuffleitung einer mehrzylindrigen
Reihenbrennkraftmaschine bezeichnet, die kreisförmigen Querschnitt aufweist. In
dieselbe münden in bekannter Weise die Verbindungsstutzen 2 der einzelnen Zvlinder.
Diese sind im wesentlichen tangential in die Sammelleitung eingeführt, wie aus den
Fig. 1, 3 und 4 ersichtlich ist. Erfindungsgemäß wird nun durch eine besondere Ausbildung
des Stutzens innerhalb der Sammelleitung die Drallenergie bereits in der Ebene des
Verbindungsstutzens ausgenutzt und zur Vergrößerung des Spülgefälles herangezogen.
Zu diesem Zweck wird die der Sammelleitungsachse zugewendete Fläche 3 des vorzugsweise
flach rechteckig aus= gebildeten Verbindungsstutzens 2 an der Durchdringungsstelle
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mit der Außenwand der Sammelleitung 1 in einer derartigen Neigung angeordnet, daß
eine starke Krümmung der Stromlinien 5 hervorgerufen wird. Die Fläche 3 weist in
ihrem weiteren Verlauf bis zum Mündungsquerschnitt eine schwächere Krümmung auf
und erstreckt sich bis annähernd an die senkrechte Mittelebene, wie aus Fig. 1 ersichtlich
ist. Durch diese Maßnahme werden die Stromlinien der vorwiegend rotierenden Strömung
derart abgebogen, daß am Mündungsquerschnitt 6 des Verbindungsstutzens am Sammelrohr
der statische Druck von der Auspuffrohrmitte nach außen möglichst wenig zunimmt,
d. h. die Stromlinien dort örtlich wenig Krümmung aufweisen.
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Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, werden die der Abgasturbine zugewandten
Seitenflächen 7 des Verbindungsstutzens 2 innerhalb der Sammelleitung gekrümmt ausgebildet.
Es ist dabei vorteilhaft, den Querschnitt der Mündungsstelle 6 des Verbindungsstutzens
vorzugsweise in Form eines flach liegenden Rechteckes auszubilden.
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Nach Fig. 3 ist innerhalb der Sammelleitung 1 in der Nähe des Mündungsquerschnittes
6 der Verbindungsstutzen 2 ein Leitblech 9 vorgesehen, welches die Krümmung der
Stromlinien weiterhin derart beeinflußt, daß der statische Druck am Mündungsquerschnitt
6 von der Auspuffrohrmitte nach außen örtlich möglichst wenig zunimmt. Die vom Vorauspuffstoß
her vorhandenen Gasteile mit hoher kinetischer Energie ermöglichen außerdem vorwiegend
während der Nachauspuff- und Spülperiode durch Strahlpumpenwirkung eine weitere
Absenkung des statischen Druckes am Mündungsquerschnitt 6.
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Bei der Ausführung nach Fig. 4 ist der Mündungsquerschnitt 6 weiter
gegeg die Achse des Sarhmelrohres 1 hin im Abstand von der Mantelfläche angeordnet.
Die weit über die Mitte vorgezogene, dem Mantel zugewendete Fläche 10 dient dabei
zur besseren Umlenkung des Gases in Ümfangsrichtung. Als besonders vorteilhaft hat
sich herausgestellt, wenn der Raum zwischen dem Blech 10 und der Auspuffrohrwand
1 von rotierendem Gas beaufschlagt wird, was durch entsprechende Formgebung der
Auspuffstutzen2 und durch Verkleidung zu erreichen ist. Durch den Eintritt des Gases
auf kleinerem Radius als dem Außenradius der Auspuffsammelleitung tritt sofort nach
Verlassen des Abgasstutzens im Gas nach außen eine Druckzunahme durch Geschwindigkeitsumsetzung
auf. Besonders während des Spülvorganges wird daher durch die rotierenden Gasmassen
der Auspuffperiode die Hauptdruckerhöhung und das axiale Abströmen an der Wand der
Auspuffleitung erfolgen und der Druck im Inneren der Auspuffleitung demgegenüber
verhältnismäßig stark abgesenkt werden, wodurch das Spülgefälle erhöht wird. Durch
die Umsetzung eines Teils der kinetischen Energie in Druckenergie gleich nach Verlassen
des Abgasstutzens werden außerdem die auftretenden Reibungsverluste trotz der größeren
Einbauten herabgesetzt.
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Aus der Fig. 5 ist die Ausbildung der Verbindungsstutzen im Querschnitt
ersichtlich. Während außerhalb des Sammelrohrs der Stutzenquerschnitt vorzugsweise
in Form eines hoch schräggestellten flachen Rechtecks verläuft, ist der Querschnitt
innerhalb des Sammelrohres annähernd um 70 bis 90° verdreht und weist die Form eines
flach liegenden Rechtecks auf, wodurch der Raum zwischen Blech 10 und Auspuffrohrwand
1 von rotierenden Gasen gut ausgefüllt werden kann.
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Die durch die erfindungsgemäß beschriebene Ausbildung der Verbindungsstutzen
innerhalb des Sammelrohres hervorgerufene Wirkung kann zusätzlich wesentlich beeinflußt-werden
durch die Ausbildung der Verbindungsstutzen zwischen Sammelrohr und Zylinderdeckelflansch
bzw. durch die Formgebung des Auspuffkanals im Zylinderdeckel. Demnach ist es vorteilhaft,
wie aus Fig. 6 hervorgeht, wenn der Auspuffkanal 12 im Zylinderdecke113 derart ausgebildet
ist, daß im effektiven Ventilquerschnitt, welcher je nach der Öffnung des Ventils
annähernd im Bereich vom Ventilsitz bis zum Querschnitt 14 liegt, die Gase in ihrer
Geschwindigkeit nicht durch Verwirbelung beeinflußt werden. Der Querschnitt bis
zur Stelle 14 ist dabei so ausgebildet, daß bei 80 bis 100% der vollen Ventilöffnung
noch keine wesentlichen Ablöseerscheinungen der Gase von der Kanalwand an dieser
Stelle auftreten, aber auch keine wesentliche Beschleunigung der Gase stattfindet
und die Ventileinbauten (Ventilschaft mit Führung) hauptsächlich seitlich umströmt
und überhaupt nicht oder nur in sehr spitzem Winkel angeströmt werden. Bei einem
Motor mit überkritischer Geschwindigkeit der Auspuffgase am Mündungsquerschnitt
6 des Austrittsstutzens wird der Querschnitt des Auslaßkanals im Zylinderdeckel
vorteilhaft vom Querschnitt 14 ab bis zum Mündungsquerschnitt 6 nur entsprechend
einer Überschalldüse erweitert. Durch diese Formgebung wird während des Vorauspuffes
überkritische Geschwindigkeit am Querschnitt 6 erzeugt und während des Nachauspuffs
und Spülvorgangs durch Diffusorwirkung die Spülung verbessert. Bei normalen Brennkraftmaschinen
mit einer geringeren Gasgeschwindigkeit am Mündungsquerschnitt 6 wird der Querschnitt
des Auspuffkanals auf der Strecke vom Ouerschnitt 14 bis zum Mündungsquerschnitt
6 entsprechend einer Unterschalldüse verengt ausgeführt. Dadurch wird die kinetische
Energie der Strömung erhöht, gleichzeitig ist aber auch der Druck während der Spülperiode
nach dem Ventil im Querschnitt 14 höher als im Querschnitt 6. Bei schlitzgesteuerten
Auslaßkanälen werden die Auslaßkanäle ebenfalls derart ausgebildet, daß die einmal
erzeugten Geschwindigkeiten nach Möglichkeit nicht vernichtet oder mit schlechtem
Wirkungsgrad in Druck rückumgesetzt werden. Die bisher übliche Ausführung der Auslaßkanäle,
welche nach den Ventilsitzen oder den Schlitzen wesentliche Querschnittserweiterungen
und am Mündungsquerschnitt 6 Verengungen aufweisen, bewirken stets eine mehrmalige
Umsetzung von potentieller in kinetische Energie mit verlustreicher Rückumsetzung
und sind deshalb nachteilig.
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Der Querschnitt des Auslaßkanals vom Querschnitt 14 bis zum Mündungsquerschnitt
6 soll daher im wesentlichen nur Querschnittsveränderungen in einer Richtung aufweisen.
Bei erweitertem Kanalquerschnitt soll demnach außer geringen Verengungen zur Strömungsgleichrichtung
nach Krümmungen keine Verengung und bei gleichbleibendem oder verengtem Kanal keine
Erweiterung vorhanden sein. Durch diese Maßnahmen können die Auslaßkanäle bedeutend
enger als bisher üblich ausgebildet werden. Es ist dabei auch zweckmäßig, zum Vermeiden
vonVerlusten dieVerbindungsstutzen so kurz als möglich auszubilden.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.