DE10007432A1

DE10007432A1 - Luftrohr zur Anwendung bei einem Turbolader bei einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10007432A1
Application number: DE10007432A
Authority: DE
Inventors: Darryl D Baldwin; Rodney M Shurman
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2000-09-14
Also published as: US6131392A

Abstract

Ein Verbrennungsmotor 10 weist mindestens einen Verbrennungszylinder 12 und einen Turbolader 20 mit einem Kompressor 30 für einen Verbrennungsströmungsmittel auf, welches in den Verbrennungszylinder 12 eingeleitet wird. Der Kompressor 30 hat einen Abgabeauslaß 32. Eine Luftleitung 14 ist mit dem Verbrennungszylinder 12 verbunden, um das Verbrennungsströmungsmittel zum Verbrennungszylinder 12 zu liefern. Die Luftleitung 14 hat eine Einlaßöffnung 36. Ein Luftrohr 16 verbindet den Kompressor 30 mit der Luftleitung 14. das Luftrohr 16 hat ein erstes Ende 40, welches mit dem Abgabeauslaß 32 des Kompressors 30 verbunden ist und ein zweites Ende 42, welches mit der Einlaßöffnung 36 der Luftleitung 14 verbunden ist. Das zweite Ende 42 weist eine nach außen vorstehende Schulter 48 auf. Ein Flansch 18, der um das zweite Ende 42 des Luftrohrs 16 herum angeordnet ist, weist eine Ausnehmung 64 auf, die die Schulter 48 darin aufnimmt, und eine axiale Stirnseite 56, die direkt an der Luftleitung 14 angebracht ist.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbrennungs motoren und insbesondere auf Luftrohre und Luftleitungen, die mit einem Turbolader in einem Verbrennungsmotor ver bunden sind.

Technischer Hinterrund

Ein Verbrennungsmotor kann einen oder mehrere Turbolader aufweisen, um ein Strömungsmittel zu komprimieren, wel ches zu einer oder mehreren Brennkammern innerhalb der entsprechenden Verbrennungszylinder geliefert wird. Jeder Turbolader weist typischerweise eine Turbine auf, die von Abgasen des Motors angetrieben wird, und einen Kompres sor, der von der Turbine angetrieben wird. Der Kompressor nimmt das zu komprimierende Strömungsmittel auf und lie fert das Strömungsmittel an die Brennkammer. Das Strö mungsmittel, welches von dem Kompressor komprimiert wird, kann in Form von Verbrennungsluft oder von einer Brenn stoff-Luft-Mischung sein.

Es ist bekannt, ein Luftrohr zu verwenden, um einen Abga beauslaß eines Kompressors mit einer weiteren Luftleitung zu verbinden, die zu jedem Verbrennungszylinder führt. Die weitere Luftleitung kann in der Form eines Nachküh lers sein. Das Ende des Luftrohrs, welches an dem Nach kühler angebracht ist, gleitet typischerweise in einen Sockel bei der Einlaßöffnung des Nachkühlers. Ein Bügel in Form eines Ansatzes, der sich radial von der Außensei te des Luftrohrs erstreckt, ist mit dem Nachkühler unter Verwendung von Bolzen bzw. Schrauben und so weiter ver bunden. Um die komprimierte Brennstoff-Luft-Mischung zum Nachkühler zu liefern, ist es typischerweise notwendig, daß das Luftrohr in einer hornartigen Weise gekrümmt ist. Während des Gebrauches bewirkt die Kurve im Luftrohr, daß die unter Druck gesetzte Brennstoff-Luft-Mischung darin eine wesentliche Axialbelastung auf das Luftrohr an dem am Nachkühler angebrachten Ende ausübt. Die Axiallast ist groß genug, daß manchmal der sich radial erstreckende Bü gel auf dem Luftrohr verbiegt oder bricht, wodurch ge stattet wird, daß das Ende des Luftrohrs vollständig oder teilweise mit dem Nachkühler außer Eingriff kommt. Dies kann zur Folge haben, daß ein gewisser Teil der Brenn stoff-Luft-Mischung in die Umgebung entweicht, was nicht wünschenswert ist.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der Erfindung weist ein Verbren nungsmotor zumindest einen Verbrennungszylinder und einen Turbolader mit einem Kompressor auf, und zwar für ein Verbrennungsströmungsmittel, welches in den Verbrennungs zylinder eingeleitet wird. Der Kompressor hat einen Abga beauslaß. Eine Luftleitung ist mit dem Verbrennungszylin der verbunden, um das Verbrennungsströmungsmittel zum Verbrennungszylinder zu liefern. Die Luftleitung hat eine Einlaßöffnung. Ein Luftrohr verbindet den Kompressor mit der Luftleitung. Das Luftrohr hat ein erstes Ende, wel ches mit dem Abgabeauslaß des Kompressors verbunden ist, und ein zweites Ende, welches mit der Einlaßöffnung der Luftleitung verbunden ist. Das zweite Ende weist eine nach außen vorstehende Schulter auf. Ein um das zweite Ende des Luftrohrs herum angeordneter Flansch weist eine Ausnehmung auf, die die Schulter darin aufnimmt, und eine Axialstirnseite, die direkt an der Luftleitung angebracht ist.

Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung weist ein Verbrennungsmotor zumindest einen Verbrennungszylinder und einen Turbolader mit einem Kompressor für ein Ver brennungsströmungsmittel auf, welches in den Verbren nungszylinder eingeleitet wird. Der Kompressor hat einen Abgabeauslaß. Ein Nachkühler zur Kühlung des Verbren nungsströmungsmittels hat eine Einlaßöffnung. Ein Luft rohr verbindet den Kompressor mit dem Nachkühler. Das Luftrohr besitzt ein erstes Ende, welches mit dem Abgabe auslaß des Kompressors verbunden ist, und ein zweites En de, welches mit der Einlaßöffnung des Nachkühlers verbun den ist. Das zweite Ende weist eine nach außen vorstehen de Schulter mit mindestens einer Nut darin auf. Ein Flansch, der um das zweite Ende des Luftrohrs herum ange ordnet ist, weist eine Ausnehmung auf, die die Schulter darin aufnimmt, und eine Axialstirnseite, die direkt mit dem Nachkühler verbunden ist. Die Ausnehmung weist minde stens einen Vorsprung auf, wobei jeder Vorsprung inner halb einer entsprechenden Nut aufgenommen wird. Die min destens eine Nut und der mindestens eine Vorsprung ver hindert die Drehung des Luftrohrs relativ zur Einlaßöff nung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Ansicht eines Teils eines Verbren nungsmotors, der ein Ausführungsbeispiel des Luftrohrs der vorliegenden Erfindung aufweist;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 aufgenommen ist;

Fig. 3 ist eine Perspektivansicht des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Luftrohrs; und

Fig. 4 ist eine Draufsicht des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Flansches.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 ist dort ein Teil eines Verbrennungsmotors 10 gezeigt, der einen Verbrennungszylinder 12, eine Luftleitung 14, Luftrohre 16, Flansche 18 und Turbolader 20 aufweist.

Zur Vereinfachung der Veranschaulichung ist nur ein ein ziger Verbrennungszylinder 12 in Fig. 1 gezeigt. Jedoch weist ein Verbrennungsmotor 10 typischerweise eine Viel zahl von Verbrennungszylindern 12 auf. Jeder Verbren nungszylinder 12 weist einen Kolben 22 auf, der hin und her beweglich darin angeordnet ist. Ein Verbrennungsströ mungsmittel, wie beispielsweise eine Luft-Brennstoff- Mischung wird in eine Brennkammer 24 innerhalb des Ver brennungszylinders 12 durch einen Anschluß 26 eingelei tet.

Jeder Turbolader 20 weist eine Turbine 28 und einen Kom pressor 30 auf. Die Turbine 28 wird durch Abgase von dem Verbrennungsmotor 10 angetrieben und weist eine Ausgangs welle auf, die wiederum den Kompressor 30 antreibt. Der Kompressor 30 nimmt Verbrennungsluft von der Umgebung auf und liefert unter Druck gesetzte Verbrennungsluft zur Brennkammer 24 innerhalb des Verbrennungszylinders 12. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Verbrennungs luft mit Brennstoff (Erdgas) vermischt, bevor sie in den Kompressor 30 eintritt, so daß der Kompressor 30 eine Luft-Brennstoff-Mischung unter Druck setzt, die zur Brennkammer 24 innerhalb des Verbrennungszylinders 12 ge liefert wird. Die Struktur und das verwendete Verfahren zur Vermischung der Luft und des Brennstoffes, die in den Kompressor 30 eingeleitet werden, sind bekannt, und wird daher hier nicht genauer beschrieben. Jeder Kompressor 30 weist einen Abgabeauslaß 32 auf, aus dem die unter Druck gesetzte Luft-Brennstoff-Mischung ausgelassen wird.

Die Luftleitung 14 ist mit dem Verbrennungszylinder 12 verbunden (der schematisch durch die gestrichelte Linie 34 angezeigt ist) und liefert die unter Druck gesetzte Luft-Brennstoff-Mischung, die vom Kompressor 30 aufgenom men wird, zur Brennkammer 24 des Verbrennungszylinders 12. Die Luftleitung 14 kann irgendeine geeignete geome trische Konfiguration haben, und zwar abhängig von dem speziellen Verbrennungsmotor, der verwendet wird. Die Luftleitung 14 weist zwei Einlaßöffnungen 36 auf, die je weils mit jedem Kompressor 30 verbunden sind, und die die unter Druck gesetzte Luft-Brennstoff-Mischung vom Kom pressor 30 aufnehmen. Die Luftleitung 14 weist auch einen Nachkühler 38 auf, der die unter Druck gesetzte Luft- Brennstoff-Mischung kühlt, die von den Kompressoren 30 aufgenommen wird, so daß eine gekühlte Luft-Brennstoff- Mischung zur Brennkammer 24 des Verbrennungszylinders 12 geliefert wird. Der Nachkühler 38 kann irgendeine geeig nete Konfiguration haben, hat jedoch im allgemeinen die Form eines Wärmetauschers zum Kühlen der Luft-Brennstoff- Mischung.

Jedes Luftrohr 16 verbindet einen entsprechenden Abgabe auslaß 32 eines Kompressors 30 mit einer Einlaßöffnung 36 einer Luftleitung 14. Insbesondere weist jedes Luftrohr 16 ein erstes Ende 40 auf (Fig. 1 und 3), welches mit dem Abgabeauslaß 32 verbunden ist, und ein zweites Ende 42, welches mit der Einlaßöffnung 36 verbunden ist. Das erste Ende 40 weist ein Paar von ringförmigen Nuten 44 an seinem Umfang auf, die entsprechende (nicht gezeigte) Dichtungen aufnehmen, um zwischen dem ersten Ende 40 und dem Abgabeauslaß 32 abzudichten. Ein Paar von Ansätzen 46 begrenzt das Ausmaß, in dem das erste Ende 40 in einen entsprechenden Abgabeauslaß 32 gleiten kann.

Das zweite Ende 42 weist eine nach außen vorstehende Schulter 48 auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat das zweite Ende 42 einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, und die Schulter 48 erstreckt sich radial nach außen. Die Schulter 48 weist ein Paar von Nuten 50 darin auf, die eine unbegrenzte Drehung des Luftrohrs 16 mit Bezug auf eine entsprechende Einlaßöffnung 36 verhin dern, wie genauer im folgenden beschrieben wird. Das zweite Ende 42 weist auch ein Paar von ringförmigen Nuten 52 um seinen Umfang herum auf. Jede ringförmige Nut 52 nimmt eine entsprechende Dichtung 54 darin auf.

Flansche 18 (Fig. 1 und 4) sind um die jeweiligen zweiten Enden 42 der Luftrohre 16 angeordnet. Jeder Flansch 18 weist eine Axialstirnseite 56 auf, die inner halb der Luftleitung 14 angebracht ist. Die Axialstirn seite 56 kann eine ringförmige Nut 66 aufweisen, die eine Dichtung 68 aufnimmt, um zwischen der Axialstirnseite 56 und der Luftleitung 14 abzudichten. Natürlich kann auch eine (nicht gezeigte) Dichtung bzw. Flachdichtung zwi schen der Axialstirnseite 56 und der Luftleitung 14 vor gesehen werden, um eine strömungsmitteldichte Dichtung sicherzustellen. Eine Vielzahl von Bolzen bzw. Schrauben 58 erstreckt sich durch entsprechende Bolzen- bzw. Schraubenlöcher 60 in dem Flansch 18 und verbinden den Flansch 18 mit der Luftleitung 14. Muttern 62 sind in verschraubbarer Weise mit den entsprechenden Bolzen bzw. Schrauben 58 in Eingriff, um den Flansch 18 an der Luft leitung 14 anzubringen.

Der Flansch 18 weist auch eine Ausnehmung 64 um seinen Innendurchmesser herum auf, und zwar benachbart zur Luft leitung 14. Die Ausnehmung 64 hat eine Axiallänge L, die größer ist als die Axiallänge L der Schulter 48. Die Aus nehmung 64 wird dadurch konfiguriert, um eine begrenzte Axialbewegung der Schulter 48 darin zu gestatten. Eine solche Axialbewegung nimmt die Montagetoleranzen auf und nimmt auch die Axialbewegung während der Anwendung auf, die von der Belastung verursacht wird, die mit der ther mischen Expansion und Kontraktion des unter Druck gesetz ten Strömungsmittels assoziiert ist.

Jeder Flansch 18 weist auch ein Paar von Vorsprüngen 70 auf, die in die Ausnehmung 64 vorstehen. Die Vorsprünge 70 sind bemessen und konfiguriert, um innerhalb der ent sprechenden Nuten 50 in der Schulter 48 des Luftrohrs 16 aufgenommen zu werden. Da jeder Flansch 18 starr an der Luftleitung 14 angebracht ist, und da die Vorsprünge 70 innerhalb der Nuten 50 aufgenommen sind, verhindern die Vorsprünge 70 und die Nuten 50 die Drehung von jedem je weiligen Luftrohr 16 relativ zur Einlaßöffnung 36 der Luftleitung 14. Andere Arten von Feder- bzw. Paßanordnun gen zwischen dem Flansch 18 und dem Luftrohr 16 können auch verwendet werden, um die Drehung des Luftrohrs 16 während der Anwendung zu verhindern.

Industrielle Anwendbarkeit

Um jedes Luftrohr 16 zusammenzubauen, wird der Flansch 18 über das erste Ende 40 zum zweiten Ende 42 geschoben. Das erste Ende 40 wird dann in den Abgabeauslaß 32 geschoben. Das Ausmaß, in dem das erste Ende 40 in den Abgabeauslaß 32 geschoben wird, wird durch die Ansätze 46 begrenzt, und die Verbindung wird durch die Dichtungen abgedichtet, die innerhalb der ringförmigen Nuten 44 angeordnet sind. Der Flansch 18 wird dann gegen die Schulter 48 des zwei ten Endes 42 gedreht, bis Vorsprünge 70 innerhalb der Nu ten 50 aufgenommen sind. Die Bolzen bzw. Schrauben 58 und Muttern 62 werden verwendet, um den Flansch 18 innerhalb der Einlaßöffnung 36 der Luftleitung 14 anzubringen. Die Dichtung 68 an der Axialstirnseite 56 dichtet zwischen dem Flansch 18 und der Luftleitung 14 ab. Darüber hinaus dichten Dichtungen 54 in den ringförmigen Nuten 52 zwi schen dem Flansch 18 und dem zweiten Ende 42 des Luft rohrs 16 ab. Herstelltoleranzen werden durch die überbe messene axiale Länge L der Ausnehmung 64 im Flansch 18 aufgenommen.

Während der Anwendung wird eine unter Druck gesetzte Luft-Brennstoff-Mischung vom Abgabeauslaß 32 in das Rohr 16 ausgelassen. Die gekrümmte Form von jedem Luftrohr 16 bewirkt, daß Axialkräfte gegen das Luftrohr 16 durch das unter Druck gesetzte Strömungsmittel ausgeübt werden, welches in den Nachkühler 38 fließt. Diese Axialkräfte können ziemlich größ sein und das Luftrohr 16 weg von der Einlaßöffnung 36 der Luftleitung 14 vorspannen. Zusätz lich wird die Luft-Brennstoff-Mischung aufgeheizt, und zwar wegen der vom Kompressor 30 ausgeübten Arbeit. Die überbemessene axiale Länge L der Ausnehmung 64 nimmt auch eine solche axiale Belastung und thermische Expansion und Kontraktion während der Anwendung auf.

In dem Fall, daß die Schulter 48 des Luftrohrs 16 den Flansch 18 berührt und/oder sich thermisch während der Anwendung ausdehnt und zusammenzieht, hält das gesteiger te Oberflächengebiet zur Belastung, welches von der Schulter 48 vorgesehen wird, effektiv das Luftrohr 16 in nerhalb des Flansches 18 und verhindert die Leckage der unter Druck gesetzten Luft-Brennstoff-Mischung in die Um gebung. Das heißt, das gesteigerte Oberflächengebiet, welches von der Schulter 48 vorgesehen wird, welches sich um den Großteil des Umfangs des zweiten Endes 42 er streckt, verteilt besser die axiale Belastung und hält das Luftrohr 16 innerhalb des Flansches 18. Zusätzlich verhindert die Feder- bzw. Verriegelungsanordnung in Form von Vorsprüngen 70 und Ausnehmungen 64 eine unbegrenzte Drehung des Luftrohrs 16 relativ zur Einlaßöffnung 36 der Luftleitung 14.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung kön nen aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims

1. Verbrennungsmotor, der folgendes aufweist:
mindestens einen Verbrennungszylinder;
einen Turbolader, der einen Kompressor für Verbren nungsströmungsmittel aufweist, wobei der Kompressor einen Abgabeauslaß hat;
eine Luftleitung, die mit dem Verbrennungszylinder verbunden ist, um das Verbrennungsströmungsmittel zum Verbrennungszylinder zu liefern, wobei die Luft leitung eine Einlaßöffnung hat;
ein Luftrohr, welches den Kompressor mit der Luft leitung verbindet, wobei das Luftrohr ein erstes En de besitzt, welches mit dem Abgabeauslaß des Kom pressors verbunden ist, und ein zweites Ende, wel ches mit der Einlaßöffnung der Luftleitung verbunden ist, wobei das zweite Ende eine nach außen vorste hende Schulter aufweist; und
einen Flansch um das zweite Ende des Luftrohrs her um, wobei der Flansch an der Luftleitung angebracht ist und eine Ausnehmung aufweist, die die Schulter darin aufnimmt.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Schul ter in dem Luftrohr zumindest eine Nut darin auf weist, und wobei die Ausnehmung in dem Flansch zu mindest einen Vorsprung aufweist, wobei jeder Vor sprung innerhalb einer entsprechenden Nut aufgenom men ist, wobei die mindestens eine Nut und der min destens eine Vorsprung die Drehung des Luftrohrs re lativ zur Einlaßöffnung verhindern.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Luft leitung einen Nachkühler aufweist.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei das zweite Ende des Luftrohrs mindestens eine ringförmige Nut um einen Umfang davon herum aufweist, und zwar be nachbart zu dem Flansch, und wobei es zumindest eine Dichtung aufweist, wobei die Dichtung entsprechend in der erwähnten Nut angeordnet ist.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die minde stens eine ringförmige Nut zwei ringförmige Nuten aufweist, und wobei die mindestens eine Dichtung zwei Dichtungen aufweist.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Ausneh mung in den Flansch so konfiguriert ist, daß sie ei ne begrenzte axiale Bewegung der Schulter darin ge stattet.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei das zweite Ende des Luftrohres einen kreisförmigen Querschnitt hat.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei das Ver brennungsströmungsmittel eine Luft-Brennstoff-Mi schung aufweist bzw. eine Luft-Brennstoff-Mischung ist.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, wobei der Brenn stoff Erdgas aufweist.

10. Verbrennungsmotor, der folgendes aufweist:
mindestens einen Verbrennungszylinder;
einen Turbolader, der einen Kompressor für ein Ver brennungsströmungsmittel aufweist, wobei der Kom pressor einen Abgabeauslaß hat;
einen Nachkühler zur Kühlung des Verbrennungsströ mungemittels, wobei der Nachkühler eine Einlaßöff nung hat;
ein Luftrohr, welches den Kompressor mit dem Nach kühler verbindet, wobei das Luftrohr ein erstes Ende besitzt, welches mit dem Abgabeauslaß des Kompres sors verbunden ist, und ein zweites Ende, welches mit der Einlaßöffnung des Nachkühlers verbunden ist, wobei das zweite Ende eine nach außen vorstehende Schulter aufweist, die mindestens eine Nut darin hat; und
einen Flansch, um das zweite Ende des Luftrohrs her um, wobei der Flansch eine Ausnehmung aufweist, die die Schulter darin aufnimmt, und eine axiale Stirn seite, die an dem Nachkühler angebracht wird, wobei die Ausnehmung mindestens einen Vorsprung aufweist, wobei jeder Vorsprung innerhalb einer entsprechenden Nut aufgenommen wird, wobei die mindestens eine Nut und der mindestens eine Vorsprung die Drehung des Luftrohrs relativ zur Einlaßöffnung verhindert.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, wobei das zweite Ende des Luftrohrs mindestens eine ringförmige Nut um einen Umfang davon herum benachbart zu dem Flansch aufweist, und weiter mindestens eine Dich tung aufweist, wobei die Dichtung innerhalb einer jeweiligen erwähnten Nut angeordnet ist.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, wobei die minde stens eine ringförmige Nut zwei ringförmige Nuten aufweist, und wobei die mindestens eine Dichtung zwei Dichtungen aufweist.