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Abgasleitungssystem für eine mehrzylindrige Großdieselmaschine Die
Auslaßleitung einer Großdieselmaschine kann allgemein in drei Hauptteile unterteilt
werden: Der den ersten Teil bildende Auslaßkanal liegt in jeder Zylindereinheit
der Maschine selbst- und erstreckt sich von der Zylinderwand bis zu einer außenliegenden
Mündung am Zylinder bzw. Zylinderkopf. Der zweite Teil besteht aus einer Verbindungsleitung,
die sich von dieser Mündung bis zum dritten Teil er= streckt, der durch ein längs
der Maschine laufendes Sammelrohr gebildet wird.
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Unabhängig davon, ob die Abgase durch ein Ventil oder durch vorn Kolben
gesteuerte Schlitze abströmen, entsteht eine erhebliche Turbulenz, wenn die Gase
den Auslaßkanal passieren. Dadurch ergibt sich ein erhöhter Widerstand für den ganzen
Spülvorgang, und es ist daher wünschenswert, die Auslaßleitung so auszubilden, daß
die Turbulenz so klein wie möglich wird. Sobald als möglich sollten deshalb die
notwendigen Maßnahmen einsetzen, um die Turbulenz zu beseitigen und für ein ungehindertes
Abströmen der Abgase zu sorgen.
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Die Erfindung betrifft ein Abgasleitungssystem für eine mehrzylindrige
Großdieselmaschine mit in jeder Zylindereinheit angeordnetem Auslaßkanal und daran
anschließender Verbindungsleitung, welche in ein auf einem anderen Niveau als die
Mündung des Auslaßkanals längs der Maschine verlaufendes Sammelrohr tangential einmündet,
wobei die Verbindungsleitung aus einem sich an den Auslaßkanal anschließenden, die
erforderliche Richtungsänderung zwischen der Mündung des Auslaßkanals und der Einmündung
in das Sammelrohr bewirkenden Krümmungsteil mit einem sich an diesen anschließenden,
wenigstens annähernd geradlinig verlaufenden Teil besteht.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß der geradlinige Teil der Verbindungsleitung eine an sich bekannte Einrichtung
zum Geraderichten der Abgasstromfäden enthält, welche aus einer düsenartigen Einschnürung
mit .daran anschließendem, sich konisch erweiterndem Diffusorrohr besteht, dessen
Kegelwinkel etwa 6 bis 10° und dessen Einmündungsquerschnitt in das Sammelrohr etwa
doppelt so groß wie der Querschnitt unmittelbar vor Beginn der Einschnürung, jedoch
im Verhältnis zum Sammelrohrquerschnitt nur so groß ist, daß die tangentiale Einströmung
in das Sammelrohr im wesentlichen erhalten bleibt.
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Bei diesem System wird die Turbulenz, die beim Ausströmen der Abgase
aus den Zylindern entsteht, schnellstens beseitigt, denn das Geraderichten der Abgasstromfäden
findet unmittelbar hinter dem an den Auslaßkanal anschließenden Krümmer der Auslaßleitung
statt. Durch das tangentiale Einströmen in das Sammelrohr wird, dann weiterhin vermieden,
daß sich neue Turbulenz einstellt. Die Abgase, können also ungehindert abströmen.
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Es ist bei Flugmotoren, insbesondere bei Sternmotoren, bekannt, die
Abgase durch kurze Rohre mit düsenartigen Einschnürungen und diffusorartigen Erweiterungen
austreten zu lassen, wobei durch die Einschnürüng auch eine Erhöhung der, Gasgeschwindigkeit
und eine gleichmäßige Verteilung der Gasstromfäden stattfindet. Diese Auspuffrohre
dienen aber im Gegensatz zur Erfindung nicht dazu, um ein ungehindertes Abströmen
der gesamten Abgasmenge in ein Sammelrohr zu bewirken, sondern die kurzen Auspuffrohre
sind innerhalb einer Haube im Kühlluftstrom des Flugmotors angeordnet, um durch
Beschleunigen der Kühlluft das in der Lufteintrittsöffnung vorgesehene Gebläse teilweise
oder ganz zu entlasten bzw. gegebenenfalls weglassen zu können.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in. Anwendung bei einer großen
Zweitaktbrennkraftmaschine dargestellt, die ein Auslaßventil im Zylinderkopf hat
und mit einem Ladegebläse ausgerüstet ist, das von einer Abgasturbine angetrieben
wird.
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Die Brennkraftmaschine hat eine Anzahl von Zylindern 1 mit Kolben
2. Der Kolben 2 steuert den Eintritt der Spülluft in den Zylinder mittels der
Schlitze
3 in der Zylinderwand. Die Abgase verlassen den Zylinder durch eine Öffnung im Zylinderkopf,
die durch das Auslaßventil 4 gesteuert wird, das seinerseits durch eine nicht
dargestellte Ventilsteuerung betätigt wird.
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Vom Zylinder aus durchströmen die Gase zunächst einen Auslaßkanal
5, der im Ventilgehäuse 6 angeordnet ist. An die außenliegende Mündung dieses Kanals
ist eine Verbindungsleitung angesetzt, die aus einem Krümmer 7 und einem anschließenden
Diffusorrohr 8 besteht. Dieses ist an das Sammelrohr 9 angeschlossen, das einer
Reihe von Zylindern zugeordnet ist. Von diesem Sammelrohr führt eine weitere Leitung
10 zu einer Abgasturbine 11, die ein Ladegebläse antreibt, dessen
Laufrad auf der verlängerten Turbinenwelle angeordnet ist. Das Gebläse liefert die
Spülluft, die mittels einer Leitung 12 einem Verteiler 13 zugeführt wird, der sich
in Längsrichtung der Maschine erstreckt. Durch Öffnungen, die von selbsttätigen
Ventilen 14 gesteuert werden, wird der Verteiler mit den Spüllufträumen 15 verbunden,
die außerhalb der Spülluftschlitze jedes Zylinders liegen.
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Der Weg der Abgase aus dem Zylinder 1 zum Sammelrohr 9 ist durch die
strichpunktierte Linie 16, 17 angedeutet. Während des ersten Teiles des Weges durch
den Kanal im Ventilgehäuse wird die Strömungsrichtung der Gase um etwa 90° verändert.
Die Führung für die Ventilspindel und andere Teile, die die Form des Gaskanals im
Ventilgehäuse beeinflussen, erzeugen eine ziemlich große Turbulenz der aus der Mündung
des Kanals austretenden Gase.
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Das Sammelrohr 9 liegt auf einem wesentlich tieferen Niveau als die
Mündung des Auslaßkanals; die Änderung der Strömungsrichtung der Abgase, die infolge
der Lage der Mündung des Kanals im Ventilgehäuse und der Lage des Sammelrohres erforderlich
ist, findet über eine Entfernung, die durch die Ziffer 18 angedeutet ist, im ersten
Teil der Verbindungsleitung statt, und zwar unmittelbar beginnend an der Verbindungsstelle
mit der Mündung des Kanals.
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Wenn die Ablenkung der Gase stattgefunden hat, sollen sie möglichst
geradlinig bzw. in linearem Strom zum Sammelrohr strömen, um weitere Anlässe für
die Entstehung einer zusätzlichen Turbulenz zu vermeiden. Um eine günstige Richtung
des Gasstromes zu erreichen und die Turbulenz zu beruhigen, ist die Verbindungsleitung
hinter dem Krümmerteil mit einer Einschnürung 19 versehen, hinter der die Leitung
mit einem sich kontinuierlich vergrößernden Querschnitt geradlinig bis zum Sammelrohr
verläuft.
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Durch die Einschnürung in der Leitung wird die Geschwindigkeit der
Gase vorübergehend erhöht, und es findet ein »Geraderichten« des Gasstromes wenigstens
in der Grenzschicht an den Wänden der Leitung statt. Da der turbulente Gasstrom
im ersten Teil der Leitung einen verhältnismäßig größeren Raum als ein gleichförmiger
Strom benötigt, bewirkt eine mäßige Einschnürung keine merkliche Vergrößerung des
Strömungswiderstandes; dafür wird im ganzen gesehen eine Verbesserung der Strömungscharakteristik
erreicht.
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Das Diffusorrohr hat eine solche Länge, daß es bei einem schlanken
Konuswinkel von etwa 6 bis 10° eine Endöffnung hat, die um 10011/o in der Querschnittsfläche
größer ist als der Krümmerteil der Verbindungsleitung. Das Diffusorrohr ist tangential
an der Wand des Sammelrohres angesetzt, das seinerseits einen erheblich größeren
Durchmesser hat als die Mündung der Verbindungsleitung. Infolgedessen ergibt sich
in dem Sammelrohr eine Wirbelbewegung, die ein ungehindertes Abziehen des Gases
zur Folge hat. Um das »Geraderichten« des Gasstromes in der Verbindungsleitung noch
zu verbessern, kann unmittelbar vor der Einschnürung ein Teil 20 von unveränderlichem
Querschnitt vorgesehen werden, dessen Längsachse mit der Längsachse des anschließenden
Diffusorrohres fluchtet.
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Mittels des Diffusorrohres wird ein Teil der Geschwindigkeit der Abgase
in Druck umgewandelt. Die Druckdifferenz zwischen dem Zylinder und dem Sammelrohr
ist ein Maß für den Energieverlust während des Spülens. Daher wird der Spülwirkungsgrad
durch jede mögliche Verminderung dieser Druckdifferenz verbessert. Bei Anwendung
der Erfindung auf eine Brennkraftmaschine mit Abgasturboladegebläse ergeben sich
Vorteile in zweifacher Hinsicht. Einerseits wird ein geringerer Teil der Leistung
des Gebläses zum Ausgleich der Strömungsverluste benötigt, während andererseits
vor der Turbine ein höherer Gasdruck zur Verfügung steht, der mehr Leistung für
den Antrieb des Gebläses erzeugt. Das als Folge hiervon vergrößerte Luftvolumen
verbessert die Rufladung des Zylinders.
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Die Erfindung kann sowohl bei Zweitakt- als auch bei Viertaktmaschinen
angewendet werden und ist unabhängig von der Zahl der Auslaßventile an jedem Zylinder.
Sie kann, wie schon erwähnt, auch bei Maschinen benutzt werden, in denen der Kolben
Auslaßschlitze in der Zylinderwand steuert.
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Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung bei solchen Maschinen,
die mit durch Abgasturbinen angetriebenen Ladegebläsen ausgerüstet sind. Sie hat
aber auch Bedeutung bei gewöhnlichen Maschinen, wo selbstverständlich die Verminderung
des Strömungswiderstandes während des Spülvorganges vorteilhaft ist.