DE1956251B1 - Brennkraftmaschine mit Abgas-Turboaufladung im Staubetrieb - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine wird weiter erhöht durch die geometrisch und damit mit Abgas-Turboaufladung im Staubetrieb, insbeson- hinsichtlich des Strömungsverhaltens unterschiedliche dere Zweitakt-Brennkraftmaschine, mit einem Ab- Ausbildung der Ausströmquerschnitte aus den Kamgassammler, der durch mindestens eine Querwand mern bzw. aus den von den Querwänden benachbarin wenigstens zwei Kammern unterteilt ist, in die 5 ter Kammern ausgehenden Kanälen,
jeweils die Abgasströme derjenigen Zylinder eintre» Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zuten, deren Zündabstand so groß bzw. deren Auslaß- gründe, eine Brennkraftmaschine der eingangs beschließzeitpunkte zeitlich so weit auseinander liegen, zeichneten Gattung zu schaffen, bei der unabhängig daß die Spülung und der Ladungswechsel der ange- von der Anzahl der Zylinder eine hinsichtlich des schlossenen Zylinder nicht behindert werden, wobei io Aufwandes und des Wirkunggrades günstige Aufdie auf den jeweiligen Gasdurchsatz bezogenen Vo- ladung durch eine oder wenige Abgasturboladergruplumina der Kammern des Abgassammlers gleich groß pen erreicht wird, ohne daß dadurch die Verluste im sind. Abgassammler unnötig ansteigen oder eine gleich-

Bei der Verwendung der Abgasenergie von Brenn- mäßige Spülung der Zylinder beeinträchtigt wird,
kraftmaschinen in Turbinen ist bekanntlich das Über- 15 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geführen der heißen Abgase aus den Zylindern zur Ab- löst, daß die Querwand benachbarter Kammern gasturbine insofern problematisch, als dafür gesorgt zugleich den Einlaßquerschnitt eines den benachbarwerden muß, daß während der Auslaßperiode kein ten Kammern gemeinsamen Turbinen-Druckstutzens zu hoher Druck hinter der Auslaßöffnung verbleibt, in Querschnitte gleichen Abgasdurchsatzes unterteilt, der die Spülung und Ladung des jeweiligen Zylinders 20 Damit wird bei minimalen Strömungsverlusten eine nicht nur behindert, sondern auch einen Rückström- für jede Kammer und damit für jeden vorgeschalteten Vorgang über die Zylinder in die Einlaßleitung aus- Zylinder gleiche Strömungscharakteristik erzielt, die lösen kann. Solche Störungen können in gewissen eine gleichmäßige Spülung sämtlicher Zylinder zur Betriebsphasen bei im Stoßverfahren aufgeladenen Folge hat; die auf kürzestem Wege zur Abgasturbine Maschinen eintreten, das allerdings den Vorteil der 25 gelangenden Abgasteilströme können sich zudem, günstigsten Energie-Übertragung mit Hilfe des söge- bedingt durch ihr gleichartiges Strömungsverhalten, nannten Auspuffstoßes (Büchi-Effekt) aufweist. gegenseitig nicht stören.

Nachteilig ist dabei ferner die pulsierende Beaufschla- Eine weitere Verminderung des baulichen Aufgung, die zur Schwingungserregung führen kann, der wandes sowie der Strömungsverluste insgesamt kann in ihrem Grundkonzept für kontinuierliche Beauf- 30 dadurch erreicht werden, daß bei benachbarter Anschlagung bestimmten Turbine und — in vielen Fäl- Ordnung von mehr als zwei Kammern der Einlaßlen — die Teilbeaufschlagung in mehreren Ring- querschnitt des Turbinen-Druckstutzens in eine der Segmenten. Diese Mangel haben dazu geführt, selbst Anzahl der Kammern entsprechende Anzahl von 6-, 9- und 12-Zylindermotoren, die wegen ihres Querschnitten unterteilt ist.

Zündabstandes von mindestens 120° KW für den 35 Eine Vielzahl von Abgasströmen läßt sich in jedem Stoßbetrieb gut geeignet sind, auf Staubetrieb um- Fall dadurch zu einem einzigen Strom zusammenzustellen, obwohl bei diesem Verfahren ein gewisser führen, daß weitere Kammern abgasströmungsseitig Energieverlust beim Einführen der Abgase aus dem zwischengeschaltet sind, wodurch die verschiedenen Zylinder in den Abgassammler nicht zu vermeiden ist. Abgasströme kaskadenartig schrittweise vereinigt

Aber auch beim Staubetrieb ist die eingangs er- 40 werden. Dabei wird eine Beschleunigung der Ströwähnte Bedingung einer ausreichenden Druckabsen- mung zur Turbine hin vorteilhaft dadurch erreicht, kung im Sammler nach Auslaßeröffnung einzuhalten. daß das geometrische Gesamtvolumen der zwischen-Aus diesem Grunde werden die Abgassammler für geschalteten Kammern kleiner ist als das geome-Vielzylindermotoren durch Einsetzen von Blenden irische Gesamtvolumen des eigentlichen Abgasoder Trennwänden in mehrere Kammern unterteilt, 45 Sammlers.

und es werden an jede Kammer jeweils die Zylinder Im folgenden wird die Erfindung an einigen Aus-

mit ausreichend großem Zündabstand angeschlossen. führungsbeispielen erläutert. Die zugehörigen Zeich-

Üblicherweise wird nun an jede Kammer eine Ab- nungen zeigen in

gasturbine angeschlossen. Das hat nicht nur den Fig. 1 eine 6-Zylinder-Brennkraftmaschine mit

Nachteil, daß die Anzahl der Abgas-Turbolader von 50 einem Abgas-Turbolader,

der Zylinderzahl abhängig ist, die vielen kleinen Ab- F i g. 2 eine 9-Zylinder-Brennkraftmaschine mit

gas-Turbolader sind zusammen häufig auch teurer als zwei Abgas-Turboladern,

ein großer, und sie arbeiten auch mit einem schlech- F i g. 3 einen Abgassammler einer 7-Zylinder-

teren Wirkungsgrad als ein größerer. Brennkraftmaschine,

Es ist nun eine Brennkraftmaschine der eingangs 55 F i g. 4 einen Abgassammler einer 9-Zylinderma-

bezeichneten Gattung mit einem in mehreren Kam- schine mit einer parallel zu zwei anderen ange-

mern unterteilten Abgassammler bekannt, in dem ordneten Kammer,

jedoch bei einem Anschluß mehrerer Kammern an F i g. 5 einen Abgassammler einer 12-Zylinder-

eine Abgasturbine die Abgase durch die benach- maschine mit vier Kammern, die paarweise parallel

barten Kammern durchdringende Kanäle an ein Ende 60 liegen, und

des Abgassammlers geführt werden, wo die gemein- F i g. 6 einen Abgassammler einer 9-Zylinderma-

same Abgasturbine angeordnet ist. In den langen schine mit kaskadenartiger Zusammenführung der

Durchdringungskanälen fallen Strömungsverluste Abgasteilströme.

durch Reibung an, die entsprechend der Länge der In Fig. 1 bezeichnen 1, 2, 3, 4, 5, 6 die Zylinder

Kanäle zu unterschiedlichen Gegendrücken an der 65 einer Brennkraftmaschine, die durch Auslaßstutzen 1',

Auslaßöffnung der Zylinder beim Auspuffvorgang 2', 3', 4', 5', 6' mit einem Abgassammler 7 verbun-

führen. Dadurch können die Zylinder nicht gleich- den sind. Dieser ist mit Hilfe einer Querwand 8 in

mäßig gespült werden. Diese unerwünschte Wirkung zwei Kammern 9 und 10 unterteilt, denen ein ge-

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meinsamer, zur Turbine 11 führender Turbinen-Druckstutzen 12 zugeordnet ist. Die Turbine 11 treibt ein Ladegebläse 13 an, das die Spül- und Ladeluft durch eine Ladedruckleitung 14 in die Zylinder 1 bis 6 fördert.

Jeder der Zylinder 1 bis 6 liefert hierbei also Vo des gesamten Abgasstromes. Das in der Zeiteinheit durchgesetzte Gasvolumen einer Kammer 9 oder 10 ist somit ³/e = ¹Is des gesamten Abgasstromes. Daraus folgt, daß bei der 6-Zylindermaschine bei Gleichheit der spezifischen Volumina auch die geometrischen Volumina der Kammern 9, 10 gleich groß sind. Bei der geforderten Gleichheit der Durchsatzmengen sind hier auch die Querschnitte F₁₁ und F₁₉ für den Eintritt in den Turbinen-Druckstutzen 12 geometrisch gleich groß.

Bei der 9-Zylindermaschine nach F i g. 2 werden die Abgase von Zylindern 21 bis 29 durch Abgasstutzen 21' bis 29' in einen Abgassammler 30 geleitet, der mit Hilfe von Querwänden 31 und 32 in drei Kammern 33, 34 und 35 unterteilt ist. Je zwei benachbarten Kammern 33/34 bzw. 34/35 ist je ein Turbinen-Druckstutzen 36 bzw. 37 der Abgasturbinen 38 bzw. 39 zugeordnet. Die Querschnitte für den Eintritt in die Turbinen-Druckstutzen 36 und 37 sind mit F₂₁ZF₂₂ und F₂JF₂₁ bezeichnet.

Jede Kammer 33, 34 oder 35 erhält hier also ³Ia = Vs des gesamten Abgasstromes. Um zu gleichen spezifischen Volumina zu kommen, sind auch sie geometrisch gleich groß ausgebildet. Jedoch werden die zwei Querschnitte F₂₂ und F₂₃ der Turbinen-Druckstutzen 36 und 37 von Abgasen aus der mittleren Kammer 34 durchströmt. Um in allen Austrittsquerschnitten F zu gleichen sekundlichen Durchsatzmengen zu gelangen, sind sie im Verhältnis

F -F = F -F = ? · 1

21 22 24 23 *

aufzuteilen.

F i g. 3 zeigt eine 7-Zylindermaschine mit Zylindern 41 bis 47, deren Abgase durch Abgasstutzen 41' bis 47' in einen Abgassammler 48 gelangen. Dieser ist durch Querwände 49 und 50 in Kammern 51, 52 und 53 unterteilt. An je zwei benachbarten Kammern 51/52 bzw. 52/53 ist wiederum je ein Turbinen-Druckstutzen 54 bzw. 55 angeschlossen. Um hierbei zu gleichen spezifischen Durchsatz-Volumina zu kommen, sind die geometrischen Volumina der Kammern 51, 52, 53 im Verhältnis 2:3:2 und die Austrittsquerschnitte im Verhältnis

ρ.ρ—ρ.ρ—Λ-ri

31 32 34 · ^l 33 t · -J

aufzuteilen.

F i g. 4 zeigt nochmals eine 9-Zylindermaschine mit einem Abgassammler 56, dessen Kammern 57,

58 und 59 nicht alle — wie in F i g. 2 — in einer Reihe nebeneinander liegen, sondern bei dem die mittlere Kammer 58 parallel zu den Kammern 57 und

59 liegt. In einem gemeinsamen Turbinen-Druckstutzen 60 mit den untereinander gleichen segmentförmigen Querschnitten F₄₁, F₄₂, F₄₃ für den Eintritt werden die Einzelströme zu einem einzigen Strom zusammengeführt.

Eine analoge Anordnung zeigt F i g. 5 bei einer 12-Zylindermaschine mit einem Abgassammler 61, der in Kammern 62, 63, 64 und 65 unterteilt ist, die paarweise parallel nebeneinander liegen. In einem gemeinsamen Turbinen-Druckstutzen 66' mit den Querschnitten F₅₁, F₅₂, F₅₃, F₅₄ für den Eintritt der Abgase werden die Einzelströme wiederum zu einem einzigen Strom zusammengeführt.

Die Anordnungen nach F i g. 4 und 5 sind in solchen Fällen sinnvoll, wo es auf Grund der gegebenen Druckschwankungen möglich ist, die einzelnen Abgasströme nach dem Durchgang durch jeweils eine Kammer zu einem einzigen Strom zusammenzuführen. Liegen diese Voraussetzungen nicht vor, dann bietet sich die Anordnung nach F i g. 6 an, bei der zwischen einem entsprechend F i g. 2 ausgebildeten Abgassammler 30 α mit Kammern 33 α, 34 α und 35 a und einem zu einer Turbine 69 führenden Turbinen-Druckstutzen 70 weitere Kammern 66 und 67 zwischengeschaltet sind, die durch eine Querwand 68 voneinander getrennt sind. Auf diese Weise werden die Einzelströme nach Art einer Kaskade (jedoch mit entgegengesetzter Strömungsrichtung) zu einem einzigen Strom zusammengeführt, und es dürfte ohne weiteres einleuchten, daß dabei etwa noch vorhandene Pulsationen in den Kammern 33 a, 34 α, 35 a weiterhin geglättet werden. Vorteilhaft wird das Gesamtvolumen der zwischengeschalteten Kammern 66, kleiner bemessen als das Gesamtvolumen des Abgassammlers 30 a, so daß die Abgase auf dem Wege zur Turbine 69 in den zwischengeschalteten Kammern 66, 67 eine Beschleunigung erfahren.

Die Ausführungsbeispiele erläutern die Erfindung durchwegs an Reihenmaschinen. Es ist aber ohne weiteres einzusehen, daß analoge Anwendungen erfindungsgemäßer Abgassammler ebensogut bei anderen Zylinderanordnungen, wie V-, H-, Δ- und anderen Maschinen möglich sind.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine mit Abgas-Turboaufladung im Staubetrieb, insbesondere Zweitakt-Brennkraftmaschine, mit einem Abgassammler, der durch mindestens eine Querwand in wenigstens zwei Kammern unterteilt ist, in die jeweils die Abgasströme derjenigen Zylinder eintreten, deren Zündabstand so groß bzw. deren Auslaßschließzeitpunkte zeitlich so weit auseinander liegen, daß die Spülung und der Ladungswechsel der angeschlossenen Zylinder nicht behindert werden, wobei die auf den jeweiligen Gasdurchsatz bezogenen Volumina der Kammern des Abgassammlers gleich groß sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Querwand (8, 31, 32, 49, 50) benachbarter Kammern (9, 10, 33,

34, 35, 51, 52, 53) zugleich den Einlaßquerschnitt eines den benachbarten Kammern (9, 10, 33, 34,

35, 51, 52, 53) gemeinsamen Turbinen-Druckstutzens (12, 36, 37, 54, 55) in Querschnitte (F₁₁,

^Fiv ^F-2v *W ^Fzv ^Fu> ^Fsv ^Fw ^Fsv ^Fzd gleichen Abgasdurchsatzes unterteilt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei benachbarter Anordnung von mehr als zwei Kammern (57, 58, 59, 62, 63, 64, 65) der Einlaßquerschnitt des Turbinen-Druckstutzens (60, 66') in eine der Anzahl der Kammern (57, 58, 59, 62, 63, 64, 65) entsprechende Anzahl von Querschnitten (F₄₁, F₄₀, ^{F F F} F FJ il i

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unterteilt ist.

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3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Unterteilung des Abgassammlers (30 a) in mehr als zwei Kammern (33 a, 34 a, 35 a) weitere Kammern (66, 67)

abgasströmungsseitig zwischengeschaltet sind, wodurch die verschiedenen Abgasströme kaskadenartig zu einem einzigen Strom zusammengeführt sind.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das geometrische Gesamtvolumen der zwischengeschalteten Kammern (66, 67) kleiner ist als das geometrische Gesamtvolumen des eigentlichen Abgassammlers (30 a).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen