AT413130B

AT413130B - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT413130B
Application number: AT0150203A
Authority: AT
Original assignee: Ge Jenbacher Ag
Priority date: 2003-09-23
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2005-11-15
Also published as: US7228684B2; ATA15022003A; US20050126168A1; DE102004044172B4; DE102004044172A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und mindestens einem Turbolader sowie wenigstens einer Abgassammelleitung, die Abgase aus zwei oder mehreren Zylindern zum Turbolader führt.

Derartige Anordnungen sind gemäss dem Stand der Technik bekannt. Als Abgassammelleitung bezeichnet man generell die Leitungsverbindung zwischen Zylinderkopfaustritt und Turboladereintritt bei Mehrzylindermotoren. Diese Abgassammler sind üblicherweise entweder als ungekühlter und wärmeisolierter Leitungsverband oder in wassergekühlter Weise ausgeführt.

Bei wassergekühlter Ausführung werden die abgasführenden Rohre von einem Kühlwassermantel umgeben, wie dies zum Beispiel in den Schriften DE 810 554 C, DE 42 07 048 C1 und DE 42 06 249 C1 gezeigt ist. Derartige Abgasleitungen finden unter anderem bei Marine- und Exschutzbereichen Anwendung, wo hohe Oberflächentemperaturen vermieden werden müssen. Bei stöchiometrischem Motorbetrieb werden aufgrund der extrem hohen Abgastemperaturen ebenfalls wassergekühlte Abgasleitungen verwendet, da ansonsten die starke Wärmeentwicklung zu einer Überlastung der abgasführenden Werkstoffe führt. Alternativ ist es bei einem Schiffsmotor mit mehreren Abgasleitungen aus der DE 27 21 614 A1 auch bekannt, zur thermischen Entkopplung zwischen den Abgasleitungen und dem Turbolader eine wassergekühlte Zwischenplatte vorzusehen.

Das Motorkühlwasser wird bei flächenmässig grosser Kühlung des gesamten Abgassammelrohres stark erhitzt, wodurch thermische Schäden an der Maschine entstehen können. Bei flächenmässig kleiner Kühlung wird das Abgas nicht ausreichend abgekühlt, sodass kritische Turbineneintrittstemperaturen zu einer Überhitzung des Turboladers führen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlung einer Abgassammelleitung vorzuschlagen, bei der trotz ausreichender Kühlung ein Minimum an abzuführender Wärme ermöglicht wird.

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Abgassammelleitung einen mit einer Kühleinrichtung gekühlten Bereich und einen im Wesentlichen ungekühlten Bereich aufweist.

Durch die erfindungsgemässe Lösung zur Kühlung der Abgassammelleitung wird eine Kombination der Vorteile einer ungekühlten Ausführung (beispielsweise durch Maximierung der Abgasenthalpie für die Nutzung in der Abgasturbine und Minimierung der abzuführenden Kühlwasserwärme) mit dem Vorteil einer wassergekühlten Ausführung (hinsichtlich der Reduzierung der Abgastemperatur auf ein materialtechnisch gut beherrschbares Niveau) ermöglicht.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der gekühlte Bereich am, in Strömungsrichtung gesehenen, Ende der Abgassammelleitung vor dem Turbolader angeordnet ist, wobei die vorteilhaftesten Ergebnisse erreicht werden, wenn der gekühlte Bereich unmittelbar vor dem Turbolader angeordnet ist. Dadurch kann der gekühlte Bereich, der bevorzugt als steifes Bauteil ausgeführt wird, auch als Anschlussstück und Halterung der Abgasturbine verwendet werden. Weiters kann durch eine Temperaturmessvorrichtung und eine daran gekoppelte Regeleinrichtung das Kühlwasser auf eine exakte und unkritische Turbineneintrittstemperatur reguliert werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der gekühlte Bereich eine Abgasabsteuereinrichtung umfasst. Diese Einrichtung dient zum gezielten Ableiten der Abgase vom Abgasturbolader und damit kann ein sogenanntes Verdichterpumpen vermieden werden. Vorteilhaft ist, wenn die Abgasabsteuereinrichtung in einer baulichen Einheit mit dem gekühlten Bereich angeordnet ist. Durch eine entsprechende Gestaltung des Kühlmantels werden die inneren Funktionselemente der Abgasabsteuereinrichtung (z.B. Ventilkörper, Ventilsitz, Ventilführung, etc. ) gekühlt bzw. vor thermischer Überlastung geschützt. Vorteilhaft ist im Weiteren vorgesehen, dass der gekühlte Bereich eine gekühlte Ventilbetätigungseinrichtung umfasst.

Durch einen gekühlten Ventilsitz und eine gekühlte Auflagefläche für die Ventilbetätigungseinrichtung wird die Abgasabsteuer-

einrichtung vor thermischer Überlastung geschützt. Dadurch, dass zwischen Abgasabsteuereinrichtung und Auspuffrohr eine Verbindungsleitung angeordnet ist, kann ein Ventil (z. B. ein Waste-Gate) überschüssige Abgase vor der Abgasturbine über eine Verbindungsleitung in das Auspuffrohr umleiten. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass sowohl die Verbindungsleitung als auch die Ventilbetätigungseinrichtung in einer baulichen Einheit mit dem gekühlten Bereich angeordnet sind, um diese Komponenten vor thermischer Überlastung zu schützen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der gekühlte Bereich der Abgassammelleitung an mindestens einem Zylinderkopf befestigbar ist. Die Abgasanschlussstutzen der Zylinderköpfe, deren Abgasventile in den gekühlten Bereich münden, dienen als starre Haltestreben und verleihen dadurch dem gekühlten Bereich der Abgasleitung eine hohe Stabilität und gedämpfteres Vibrationsverhalten, was wiederum die Lebensdauer der verwendeten Bauteile hinsichtlich Materialermüdung verlängert. Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass am gekühlten Bereich der Turbolader befestigbar ist, da dieser als Anschlussstück und Halterung der Abgasturbine mit entsprechend strömungsoptimierter Formgebung des Abgaskanals dient.

Günstigerweise ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung eine Wasserkühlung ist, wobei ein Teil der Abgassammelleitung von einem Wassermantel umgeben ist. Das Kühlwasser kann entweder dem Motorkühlwasserkreis oder einem externen Kühlkreislauf entnommen werden.

Insbesondere kann die Kühleinrichtung des gekühlten Bereiches mit einem eventuell verwendeten wassergekühlten Turbinengehäuse und/oder mit einem wassergekühlten Ventilführungskörper kombiniert werden. Der Wassermantel des gekühlten Bereiches umschliesst vorzugsweise die darin enthaltene Abgassammelleitung nahezu vollständig.

Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass sich der gekühlte Bereich der Abgassammelleitung über mindestens einen, vorzugsweise zwei bis drei, Zylinder erstreckt. Dadurch wird eine Kombination einer ungekühlten Abgassammelleitung mit einer gekühlten Abgassammelleitung ermöglicht, wobei der Anteil des gekühlten Bereiches nur so gross ist, wie es zum Erreichen einer gewünschten Abgastemperatur erforderlich ist. Allgemein besonders günstig ist es, wenn das Längenverhältnis von gekühltem Bereich zu ungekühltem Bereich der Abgassammelleitung zwischen 15% und 80%, vorzugsweise zwischen 20% und 40%, liegt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass eine Druckausgleichsleitung zwischen den beiden Abgassammelleitungen der beiden Zylinderbänke angeordnet ist. Dadurch kann die Dimensionierung des Abgasabsteuerorganes vorzugsweise so erfolgen, dass nur eine Abgasabsteuereinrichtung pro Motor erforderlich ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Folgenden näher erläutert. Darin zeigt die Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemässen Abgassammelleitung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Anordnung einer Brennkraftmaschine mit beispielhaften zwölf Zylindern (1 bis 12) mit einer Abgasturbine 16 eines Turboladers 20. Die erfindungsgemässe Abgassammelleitung 13 weist einen ungekühlten Bereich 14 und einen mit einer Kühleinrichtung gekühlten Bereich 15 auf. Der gekühlte Bereich 15 ist in Strömungsrichtung nach dem ungekühlten Bereich 14 der Abgassammelleitung 13 angeordnet, wobei die beiden Bereiche miteinander verflanscht sind. Der ungekühlte Bereich 14 der Abgassammelleitung 13 weist Einrichtungen zur Dämpfung von axialen und radialen Spannungen, vorzugsweise Kompensatoren 17, auf, und ist mit isolierendem Material 18 umgeben. Die Wärmeausdehnung des ungekühlten Bereiches 14 wird von einem Kompensator 17 in der Nähe des Flansches aufgenommen.

Der gekühlte Bereich 15 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel an zwei Abgasanschlussstutzen 19 der Zylinder 5,6 befestigt, die als starre Haltestreben dienen. Der gekühlte

Bereich 15 ist unmittelbar vor dem Turbolader 20 angeordnet und weist eine Abgasabsteuereinrichtung 21 mit einer Ventilbetätigungseinrichtung 22 auf, die beispielsweise mit einem WasteGate das Abgas der Abgassammelleitung 13 über eine Verbindungsleitung 23 bei Bedarf in das Auspuffrohr 24 absteuert. Es wird die Abgasabsteuereinrichtung 21 so in den gekühlten Bereich 15 integriert, dass der Strömungskanal für das abgesteuerte Abgas und das Steuer- bzw. Regelventil oder die Steuer- bzw. Regelklappe in einem wassergekühlten, mit dem gekühlten Bereich 15 eine konstruktive Einheit bildenden Gehäuse untergebracht sind.

Der gekühlte Bereich 15 wird hinsichtlich der Kanalführung und der Gestaltung der Aussenabmasse vorzugsweise so ausgeführt, dass die Abgasturbine 16 direkt an dem gekühlten Bereich 15 angeflanscht werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in Fig. 1 ebenfalls dargestellt, weist der Motor wie bei einem V-Motor zwei Zylinderbänke (Zylinder 1 bis 6, bzw. Zylinder 7 bis 12) mit jeweils einer Abgassammelleitung 13,25 auf, wobei eine Druckausgleichsleitung 26 zwischen den beiden Abgassammelleitungen 13,25 der beiden Zylinderbänke angeordnet ist.

Es versteht sich von selbst, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, noch durch diese eingeschränkt werden soll. Die Grösse des gekühlten Bereiches hängt von der gewünschten Abgastemperatur ab und kann deshalb in der Grösse variieren. Selbstverständlich ist neben der Wasserkühlung auch eine geeignete Luftkühlung und/oder eine Kombination aus beidem denkbar.

Patentansprüche : 1. Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und mindestens einem Turbolader sowie wenigstens einer Abgassammelleitung, die Abgase aus zwei oder mehreren Zylindern zum
Turbolader führt, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgassammelleitung (13) einen mit ei- ner Kühleinrichtung gekühlten Bereich (15) und einen im Wesentlichen ungekühlten Be- reich (14) aufweist.

Claims

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gekühlte Bereich (15) am, in Strömungsrichtung gesehenen, Ende der Abgassammelleitung (13) vor dem Turbolader (20) angeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gekühlte Bereich (15) unmittelbar vor dem Turbolader (20) angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gekühlte Bereich (15) eine Abgasabsteuereinrichtung (21) umfasst.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasabsteuer- einrichtung (21) in einer baulichen Einheit mit dem gekühlten Bereich (15) angeordnet ist.

6. Brennkraftmaschine mit einem Turbolader und einem nachgeschalteten Auspuffrohr nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Abgasabsteuereinrichtung (21) und Auspuffrohr (24) eine Verbindungsleitung (23) angeordnet ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslei- tung (23) in einer baulichen Einheit mit dem gekühlten Bereich (15) angeordnet ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gekühlte Bereich (15) eine gekühlte Ventilbetätigungseinrichtung umfasst.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilbetäti- gungseinrichtung in einer baulichen Einheit mit dem gekühlten Bereich (15) angeordnet ist. <Desc/Clms Page number 4>

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gekühlte Bereich (15) der Abgassammelleitung (13) an mindestens einem Zylinderkopf be- festigbar ist.

11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am gekühlten Bereich (15) der Turbolader (20) befestigbar ist.

12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der ungekühlte Bereich (14) der Abgassammelleitung (13) Einrichtungen für die Dämpfung von axialen und radialen Spannungen, vorzugsweise Kompensatoren (17), aufweist.

13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der ungekühlte Bereich (14) mit isolierendem Material (18) umgeben ist.

14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung eine Wasserkühlung ist, wobei ein Teil der Abgassammelleitung (13) von einem Wassermantel umgeben ist.

15. Brennkraftmaschine mit mindestens drei Zylindern nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich der gekühlte Bereich (15) der Abgassammelleitung (13) über mindestens einen, vorzugsweise zwei bis drei, Zylinder (5, 6) erstreckt.

16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Längenverhältnis von gekühltem Bereich (15) zu ungekühltem Bereich (14) der Abgas- sammelleitung (13) zwischen 15% und 80%, vorzugsweise zwischen 20% und 40%, liegt.

17. Brennkraftmaschine mit einem V-Motor mit zwei Zylinderbänken die jeweils eine Abgas- sammelleitung aufweisen nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckausgleichsleitung (26) zwischen den beiden Abgassammelleitungen (13,25) der beiden Zylinderbänke angeordnet ist.