DE1068513B

DE1068513B - Internal combustion engine with exhaust gas turbocharging

Info

Publication number: DE1068513B
Application number: DENDAT1068513D
Authority: DE
Inventors: Augsburg Josef Reisacher
Original assignee: Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg A.G., Augsburg
Publication date: 1959-11-05

Description

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.Internal combustion engine with exhaust gas turbocharging The invention relates to on an internal combustion engine with exhaust gas turbocharging, in which the exhaust gases of the individual cylinder through connecting pieces in such a way in an exhaust manifold be introduced that a strong swirl flow is generated in this.

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.In silencers on in-line internal combustion engines, it is known that Connection piece between the individual cylinders and one of the actual silencer upstream manifold inside the same approximately up to the perpendicular to it Preferred mid-plane, with the cross-section of the socket inside the pipe against the mouth has a decreasing height. If you apply this according to the invention Measure in the exhaust manifold of an internal combustion engine with exhaust gas turbocharging on, this can result in a lowering of the static pressure at the muzzle cross-section achieved other places on the circumference of the manifold and increased the flushing gradient will. The increased flow resistance due to the nozzle protruding in the collecting line is in further development of the invention by widening the nozzle against the Mouth cross-section measured parallel to the manifold axis is significantly reduced. The simultaneous application of the measures mentioned prevents the existing flow energy of the rotating exhaust gases on the way through the exhaust pipe as a result of friction, exchange of momentum, disturbances at the confluence points of other cylinders, occurring relative flow etc. is largely destroyed before exploitation. The area facing its axis is expediently located within the collecting line the connection piece at the point of penetration with the outer wall of the collecting line arranged at an angle which causes a strong curvature of the streamlines and the further course of this surface with a slight curvature up to the mouth cross-section executed. The one caused by such a design of the exhaust pipe Effect of lowering the static pressure at the mouth cross-section compared to the static pressure on the outside diameter of the manifold can be further improved by attaching a arranged in the collecting line, in front of the inlet mouth beginning and approximately over 1 / s of the circumference extending baffle with weak curvature or by the known arrangement of the mouth points the connection piece at a distance of approximately 1 / z to 1 / s of the radius of the outer surface of the manifold. A further increase in the rinsing gradient will be achieved in that the cross section of the exhaust duct immediately after the valve seat or slot starting up to the opening cross-section of the connecting piece in the Manifold is either only reduced or only enlarged. In this way above all, a repeated generation of kinetic energy from static energy with subsequent poor reverse conversion or turbulence prevented and the Possibility created with appropriately sized internal combustion engines by execution of the exhaust duct as a supersonic nozzle and supercritical speeds at the To create the junction of the exhaust port in the exhaust manifold.

.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.In the drawing are various embodiments of the invention shown. 1 shows a vertical section through an exhaust pipe with the connecting piece to the cylinder cover, Fig. 2 is a section along line II-II 1, 3 and 4 other embodiments, FIG. 5 shows a section along the line V-V of Fig. 4, Fig. 6 shows a section through the connecting piece, beginning on Outlet valve up to the entry into the collecting line.

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 4 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.In the drawing, 1 is the exhaust line of a multi-cylinder In-line internal combustion engine referred to, which has a circular cross-section. In the same open in a known manner the connecting pieces 2 of the individual cylinder. These are introduced essentially tangentially into the manifold, as from the Fig. 1, 3 and 4 can be seen. According to the invention is now through a special training of the nozzle within the collecting line, the swirl energy is already in the level of the The connecting piece is used and used to increase the flushing gradient. For this purpose, the surface 3 of the manifold facing the axis is preferably flat rectangular from = formed connecting piece 2 at the penetration point 4th arranged with the outer wall of the manifold 1 in such an inclination that a strong curvature of the streamlines 5 is caused. The surface 3 has in its further course up to the mouth cross-section a weaker curvature and extends approximately to the vertical center plane, as can be seen from FIG is. Through this measure, the streamlines of the predominantly rotating flow become bent so that at the mouth cross section 6 of the connecting piece on the manifold the static pressure increases as little as possible from the center of the exhaust pipe to the outside, d. H. the streamlines show locally little curvature there.

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.As can be seen from FIG. 2, they are facing the exhaust gas turbine Side surfaces 7 of the connecting piece 2 are designed to be curved within the collecting line. It is advantageous here, the cross section of the opening point 6 of the connecting piece preferably in the form of a flat rectangle.

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.According to Fig. 3 is within the manifold 1 in the vicinity of the mouth cross-section 6 of the connecting piece 2 a guide plate 9 is provided, which the curvature of the Streamlines continue to be influenced in such a way that the static pressure at the muzzle cross-section 6 increases locally as little as possible from the center of the exhaust pipe to the outside. The one from the pre-puff Her existing gas parts with high kinetic energy also enable predominantly during the post-exhaust and rinsing period due to the jet pump effect, another Lowering of the static pressure at the muzzle cross-section 6.

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.In the embodiment according to FIG. 4, the mouth cross section 6 is wider against the axis of the Sarhmel tube 1 arranged at a distance from the lateral surface. The surface 10, which extends far beyond the middle and faces the jacket, is used here for better deflection of the gas in the circumferential direction. Has been particularly beneficial found when the space between the sheet metal 10 and the exhaust pipe wall 1 is acted upon by rotating gas, which is achieved by appropriate shaping of the Exhaust pipe 2 and can be reached through paneling. By the entry of the gas occurs immediately on a smaller radius than the outer radius of the exhaust manifold Leaving the exhaust port in the gas to the outside, an increase in pressure due to speed conversion on. Particularly during the purging process, the rotating gas masses the main pressure increase and the axial outflow on the wall of the exhaust period Exhaust line take place and the pressure inside the exhaust line on the other hand be reduced relatively sharply, whereby the wash gradient is increased. By the conversion of part of the kinetic energy into pressure energy immediately after leaving of the exhaust nozzle are also the occurring friction losses despite the larger Reduced internals.

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.From Fig. 5, the formation of the connecting piece is in cross section evident. While the nozzle cross-section is preferably outside the collecting pipe runs in the form of a highly sloping flat rectangle, is the cross-section rotated within the header by approximately 70 to 90 ° and has the shape of a lying flat rectangle, whereby the space between sheet metal 10 and exhaust pipe wall 1 can be filled well by rotating gases.

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.The design of the connecting piece as described in accordance with the invention The effect caused within the collecting pipe can also be significantly influenced through the design of the connecting pieces between the manifold and the cylinder cover flange or by the shape of the exhaust duct in the cylinder cover. It is therefore advantageous to as can be seen from FIG. 6, when the exhaust duct 12 in the cylinder cover 113 is formed in this way is that in the effective valve area, which depends on the opening of the valve is approximately in the area from the valve seat to the cross section 14, the gases in their Speed cannot be influenced by turbulence. The cross section up to point 14 is designed so that at 80 to 100% of the full valve opening no significant signs of detachment of the gases from the duct wall on this Place occur, but also no significant acceleration of the gases takes place and the valve internals (valve stem with guide) mainly flow around the side and are not flowed against at all or only at a very acute angle. At a Engine with supercritical exhaust gas speed at the muzzle cross-section 6 of the outlet port is the cross section of the outlet channel in the cylinder cover advantageous from the cross section 14 to the mouth cross section 6 only accordingly a supersonic nozzle. This shape is used during the pre-puff Generated supercritical speed at the cross section 6 and during the post-exhaust and rinsing process improves rinsing through diffuser effect. In normal internal combustion engines with a lower gas velocity at the mouth cross-section 6, the cross-section of the exhaust duct on the route from the cross section 14 to the mouth cross section 6 executed narrowed according to a subsonic nozzle. This makes the kinetic The energy of the flow is increased, but at the same time the pressure is also increased during the flushing period after the valve in cross-section 14 higher than in cross-section 6. With slot-controlled Outlet channels, the outlet channels are also formed in such a way that the once generated speeds, if possible, not destroyed or with bad Efficiency can be converted back into pressure. The previously common design of the outlet channels, which after the valve seats or the slots substantial cross-sectional enlargements and have constrictions at the mouth cross-section 6, always cause a multiple Conversion of potential into kinetic energy with lossy re-conversion and are therefore disadvantageous.

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.The cross section of the outlet channel from cross section 14 to the mouth cross section 6 should therefore essentially only have changes in cross section in one direction. In the case of an enlarged channel cross-section, apart from small constrictions, the aim is to straighten the flow no narrowing after bends and none if the canal remains the same or is narrowed Extension be present. By these measures, the outlet channels can be significant be trained closer than usual. It is also useful to avoid it to keep the connection pieces as short as possible to avoid losses.

Die Erfindung ist nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.The invention is not limited to the embodiments described above limited.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Internal combustion engine with Abga: turbocharging, at the exhaust gases from the individual cylinders through connecting pieces in such a way in an exhaust manifold be introduced that in this a strong swirl flow is generated is, characterized in that the connecting piece (2) towards the mouth within the collecting line, the height of the nozzle cross-section decreases approximately up to the vertical center plane of the manifold (1) are preferred - as both are known per se in silencers - and that the width of the nozzle cross-section - measured parallel to the axis of the manifold - against the cross-section of the mouth (6) increases towards. z. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the mouth cross-sections (6) parallel to that perpendicular to the connecting pieces Central plane of the collecting line (1) and offset in the direction of flow to the axes the connecting pieces are arranged. 3. Internal combustion engine according to claim 1, characterized characterized in that the side surfaces (7) of the connecting pieces facing the exhaust gas turbine (2) curved in an arc in the direction of the turbine within the manifold (1) are. 4. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that before the Mouth cross-sections (6) of the connecting pieces (2) in the direction of the axis of the collecting line a baffle (9) with a slight curvature is provided, which is in front of the inlet mouth begins and extends approximately over 1 / s of the circumference. 5. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the connecting piece (2) in itself as is known, approximately at a distance of 1 / z to 1 / s of the manifold radius of whose outer surface (1) open out. 6. Internal combustion engine according to claim 1 and 5, characterized in that the surface (1Q) facing the lateral surface (1) of the Connection piece (2) by 30 to 60 ° compared to the other edge of the mouth cross-section (6) is drawn forward and curved. 7. Internal combustion engine according to claim 1 and 5, characterized in that the penetration cross-section of the connecting piece (2) with the collecting line (1) preferably in the form of a sloping flat Rectangle formed and formed against the in the form of a flat rectangle Muzzle cross-section (6) is rotated by 70 to 90 °. B. internal combustion engine after Claim 1, characterized in that the cross-sectional area of the opening point (6) the connecting piece (2) up to the outlet cross-section (14) in the combustion cylinder essentially only increases or decreases. Publications considered: French Supplementary Patent Specification No. 46 894 No. 776 345; British Patent No. 563 955.