DE19710408A1

DE19710408A1 - Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19710408A1
Application number: DE19710408A
Authority: DE
Inventors: Diameter Gild Mads R
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH; MAN B&W Diesel AS
Current assignee: MAN Energy Solutions Filial af MAN Energy Solutions SE
Priority date: 1997-03-13
Filing date: 1997-03-13
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2017-03-14
Also published as: JP3895453B2; DE19710408B4; KR19980079766A; JPH10317981A; JP2007132341A

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, ins besondere einen Droßdieselmotor, mit wenigstens einem Abgas turbolader, dessen Kompressor über einen ein in Strömungs richtung konisch sich erweiterndes Rohr aufweisenden Diffusor mit einem nachgeordneten Ladeluftkühler verbunden ist.

Die den Kompressor verlassende Luft führt eine spiralförmige Bewegung mit etwa gleicher Tangential- und Axialgeschwindigkeit aus. Die Luft drängt daher nach radial außen und legt sich an den Innenumfang des Diffusorrohrs an. Da der Querschnitt des Kühler gehäuses wesentlich größer als der Endquerschnitt des Diffusors ist, muß sich die Luft beim Verlassen des Diffusors und Eintritt in das Kühlergehäuse im oberen Gehäusebereich verteilen.

Bei den bisher gebräuchlichen Anordnungen eingangs erwähnter Art ist das konisch sich erweiternde Diffusorrohr übergangslos an das Gehäuse des Ladeluftkühlers angesetzt. Dies führt zu einer ungleichen Verteilung der Luft, wobei hohe lokale Luftge schwindigkeiten und Wirbelbildung und dementsprechend hohe Luftkräfte auftreten können. Es besteht daher die Gefahr, daß Teile des Ladeluftkühlers, insbesondere die an den Kühlrohren vorge sehenen Kühlrippen, überbeansprucht werden und zu Bruch gehen. Die Folge davon ist eine vergleichsweise geringe Lebensdauer des Ladeluftkühlers.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hubkolben-Brennkraftmaschine eingangs erwähnter Art zu schaffen, bei der eine übermäßige Beanspruchung innerhalb des Ladeluftkühlers durch die in diesen eintretende Luft vermieden wird.

Eine erste erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß der Diffusor in einen trichterförmig aufgeweiteten Übergangs bereich ausläuft, der an das Gehäuse des Ladeluftkühlers an schließt. Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung kann dabei darin bestehen, daß der trichterförmig aufgeweitete Übergangs bereich im Querschnitt torusförmig aufgebogen ist. Diese erste Lösung ergibt eine zuverlässige Entschärfung des Mündungs bereichs des Diffusors.

Eine zweite erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß in den Diffusor ein konischer Einsatz eingebaut ist, dessen Konuswinkel kleiner, gleich oder größer als der Konuswinkel des den Diffusor begrenzenden Rohrs sein kann. Hierbei wird ein Ringraum gebildet, der eine gerichtete Strömung ergibt, die der Gefahr, die von einer scharfen Kante im Mündungsbereich des Diffusors ausgeht, entgegenwirkt, wodurch eine übermäßige Beanspruchung der Kühlrippen etc. unterbleibt.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung kann darin bestehen, daß im Mündungsbereich des Diffusors wenigstens ein eine ringförmige Strömungspassage bildendes Leitblech angeordnet ist. Auch hier durch wird eine gleichmäßige Verteilung der Luft begünstigt, wo durch örtliche Überbeanspruchungen innerhalb des Ladeluftkühlers unterbleiben.

Die vorstehend angegebenen Lösungen können allein oder in Form einer Kombination von zwei oder allen drei Lösungen vorgesehen sein.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen an gegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Stirnansicht einer gattungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Diffusor mit torusförmig aufgebogenem Mündungsbereich teilweise im Schnitt,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Diffusor mit eingebautem Konus teilweise im Schnitt und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit im Mündungsbereich des Diffusors angeordneten Leitblechen.

Bei der der Fig. 1 zugrundeliegenden Hubkolben-Brenn kraftmaschine handelt es sich um einen großen Zweitakt-Dieselmotor, wie er beispielsweise für Schiffsantriebe Verwendung finden kann. Der Aufbau und die Wirkungsweise eines derartigen Motors sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr.

Mit Hilfe der aus den Zylindern 1 ausgestoßenen Abgase, die in einer Abgassammelleitung 2 gesammelt werden, wird die Turbine eines Abgasturboladers 3 angetrieben, dessen Verdichter die den Zylindern 1 zugeführte Ladeluft verdichtet. Selbstverständlich können auch mehrere Abgasturbolader vorgesehen sein. Dem Abgasturbolader 3 ist ein Ladeluftkühler 4 nachgeordnet, durch den die vorher verdichtete Ladeluft gekühlt wird, um eine gute Füllung zu erreichen. Die den Ladeluftkühler 4 verlassende Luft gelangt über ein Verteilerrohr 5 in die Zylinder 1, die mit Einlaßschlitzen versehen sind.

Der Auslaß 6 des Verdichters des Abgasturboladers 3 und das Gehäuse 7 des Ladeluftkühlers 4 sind durch einen Diffusor 8 miteinander verbunden, der durch ein in Strömungsrichtung konisch sich erweiterndes Rohr gebildet wird. Dieses ist mit seinem kleineren Durchmesser an den denselben Durchmesser auf weisenden Auslaßstutzen 6 des Verdichters des Abgasturboladers 3 angeflanscht und schließt mit seinem gegenüberliegenden, dem größeren Durchmesser zugeordneten Ende an das Gehäuse 7 des Ladeluftkühlers 4 an. Dieses besitzt einen gegenüber dem Mündungsquerschnitt des Diffusors 8 wesentlich größeren Quer schnitt, so daß eine Verteilung der Luft erfolgen muß. Diese Luftverteilung soll möglichst gleichmäßig sein. Oberhalb der Kühlelemente des Ladeluftkühlers 4 ist daher ein als Verteiler kammer 9 fungierender leerer Gehäusebereich vorgesehen.

Im Diffusor 8 ergibt sich erfahrungsgemäß eine spiralförmige Luftströmung mit etwa gleicher Axial- und Tangentialkomponente. Die mit hoher Geschwindigkeit bewegte Luft drängt dabei nach radial außen und legt sich an den Innenumfang des den Diffusor 8 bildenden Rohrs an, was beim Eintritt dieser Luft in das Gehäuse 7 des Ladeluftkühlers 4 Probleme bewirken kann.

Um beim Eintritt der Luft in das Gehäuse 7 eine schlechte Verteilung innerhalb der Kammer 9 und eine Wirbelbildung sowie ein starkes lokales Durchschlagen der starken Luftströmung auf die Kühlelemente des Ladeluftkühlers 4 und damit eine mechanische und dynamische Überbeanspruchung der Kühlrippen der Kühlrohre etc. zu vermeiden, ist bei der Ausführung gemäß Fig. 2 ein zweiteilig aufgebauter Diffusor 8 vorgesehen. Dieser besteht hier aus einem an den Auslaßstutzen 6 des Verdichters des Abgas turboladers 3 angeflanschten, konisch sich erweiternden Diffusor rohr 10, an das ein Anschlußstutzen 11 angeflanscht ist, der an seinem anderen Ende mit einem trichterförmig aufgeweiteten Übergangsbereich 12 versehen ist und hiermit an das Gehäuse 7 des Ladeluftkühlers 4 anschließt.

Im dargestellten Beispiel gemäß Fig. 2 ist der trichterförmig aufgeweitete Übergangsbereich 12 im Querschnitt torusförmig aufgebogen, so daß sich eine trompetenförmige Übergangs krümmung ergibt, wie durch den Radius r angedeutet ist. Es wäre aber auch denkbar, den Übergangsbereich ohne Krümmung einfach als konisches Endstück auszubilden, wobei ein vergleichsweise großer Konuswinkel von zweckmäßig mindestens 45° und mehr vorgesehen sein soll. Die in jedem Fall vorgesehene trichterförmige Aufweitung ergibt eine gute Verteilung der Luft innerhalb der Kammer 9, wobei bei der gezeigten Ausführung mit gerundetem Übergangsbereich erfahrungsgemäß besonders gute Ergebnisse erzielt werden.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 3 ist zum selben Zweck in den Diffusor 8 ein konischer Einsatz 13 eingebaut. Der Diffusor 8 besitzt hier ein mit seinem kleineren Durchmesser an den Auslaßstutzen 6 des Verdichters des Abgasturboladers 3 angeschlossenes und mit seinem größeren Durchmesser direkt an das Gehäuse 7 des Ladeluftkühlers 4 angesetztes, konisch sich erweiterndes Rohr 14. Der konische Einsatz 13 besitzt dieselbe Länge wie das Rohr 14. Die Spitze des konischen Einsatzes 13 befindet sich dementsprechend im Bereich des turboladerseitigen Endes des Rohrs 14. Die Grund fläche des konischen Einsatzes 13 ist koplanar zum Mündungs querschnitt des Rohrs 14. Der Konuswinkel a des konischen Einsatzes 13 kann größer, gleich oder kleiner als der Konuswinkel des Rohrs 14 sein. Im dargestellten Beispiel ist der Konuswinkel a des Einsatzes 14 größer als der Konuswinkel des Rohrs 14, so daß sich ein Ringraum 15 mit in Strömungsrichtung abnehmender lichter Weite ergibt, was zu einer Luftbeschleunigung führen kann. Im umgekehrten Fall läßt sich eine vergleichsweise niedrige Luftgeschwindigkeit erreichen. Dies ist vor allem bei kleiner Diffusorbaugröße zweckmäßig.

Der Konuswinkel a des konischen Einsatzes 13 kann innerhalb eines weiten Felds von beispielsweise 4°-60° liegen. Zweckmäßig liegt er im Bereich zwischen 30° bis 50° und beträgt hier vorzugs weise 35°. Der Konuswinkel des Rohrs 14 kann 4° bis 45° betragen und liegt zweckmäßig im Bereich zwischen 25° bis 45°. Hier beträgt er vorzugsweise 30°. Der in Fig. 3 eingezeichnete Außen winkel b besitzt dementsprechend hier vorzugsweise 150°. Die Ausführung gemäß Fig. 3 ergibt, wie ein Vergleich mit Fig. 2 zeigt, eine vergleichsweise kurze Diffusoranordnung und führt daher in vorteilhafter Weise zu einer besonders kompakten Gesamt bauweise.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 4 sind zum selben Zweck wie oben im Mündungsbereich des Diffusors 8 zwei radial hintereinander gestaffelte, umlaufende Leitbleche 16 vorgesehen, die ringförmige Strömungspassagen 17 bilden. Diese führen hier um die scharfe Kante zwischen dem Diffusor 8 und dem Gehäuse 7 des Ladeluft kühlers 4 an der Einmündung des Diffusors 8 in die Kammer 9 herum. Die Leitbleche 16 sind hier dementsprechend radial inner halb der genannten Kante um diese herumgeführt. Die Leitbleche 16 können auch in den Diffusor hineinragen bzw. ganz in diesen plaziert sein. In einfachen Fällen kann ein Leitblech genügen.

In der Regel genügt es, wenn die Maßnahmen der Fig. 2 bis 4, wie in den gezeichneten Beispielen, alternativ zur Anwendung kommen. In jedem Fall konnte, wie Versuche gezeigt haben, eine ausreichende Entlastung der Kühlelemente des Ladeluftkühlers 4 und damit eine Verlängerung der Lebensdauer des Ladeluftkühlers 4 erreicht werden. Es wäre aber auch denkbar, die genannten Maßnahmen zur Steigerung des Effekts paarweise oder insgesamt miteinander zu kombinieren.

Claims

1. Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere Großdiesel motor, mit wenigstens einem Abgasturbolader (3), dessen Kompressor über einen ein in Strömungsrichtung konisch sich erweiterndes Rohr aufweisenden Diffusor (8) mit einem nachgeordneten Ladeluftkühler (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (8) in einen trichterförmig aufgeweiteten Übergangsbereich (12) ausläuft, der an das Gehäuse (7) des Ladeluftkühlers (4) anschließt.

2. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der trichterförmig aufgeweitete Über gangsbereich (12) im Querschnitt torusförmig aufgebogen ist.

3. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der trichterförmig aufgeweitete Über gangsbereich (12) als konisches Endstück mit vom Konus winkel des Diffusors (8) abweichendem Konuswinkel aus gebildet ist.

4. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorher gehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an ein konisch sich erweiternde Rohr (10) des Diffusors (8) ein den aufgeweiteten Übergangsbereich (12) aufweisender Anschlußstutzen (11) angeflanscht ist.

5. Hubkolben-Brennkraftmaschine insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in den Diffusor (8) ein konischer Einsatz (13) eingebaut ist.

6. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel [a] des Einsatzes (13) kleiner als der Konuswinkel eines den Diffusor (8) begrenzenden Rohrs (14) ist.

7. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel [a] des Einsatzes (13) größer als der Konuswinkel eines den Diffusor (8) begrenzenden Rohrs (14) ist.

8. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel [a] des Einsatzes (13) im Bereich von 4° bis 60°, vorzugsweise im Bereich von 30° bis 50° liegt.

9. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel des Einsatzes (13) 35° beträgt.

10. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel des den Diffusor (8) begrenzenden Rohrs (14) im Bereich von 4° bis 45°, vorzugsweise im Bereich von 25° bis 45° liegt.

11. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel des den Diffusor (8) begrenzenden Rohrs (14) 30° beträgt.

12. Hubkolben-Brennkraftmaschine insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Mündungsbereich des Diffusors (8) wenigstens ein eine ringförmige Strömungspassage (17) bildendes Leitblech (16) angeordnet ist.

13. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, radial gestaffelte Leitbleche (16) vorgesehen sind.

14. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche (16) radial innerhalb der Kante zwischen Diffusor (8) und Gehäuse (7) des Ladeluftkühlers (4) um diese herumgebogen sind.