DE2033674A1 - Auspuffsammler für mehrzyhndrige Dieselmotoren - Google Patents

Description

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telefon2251 ίο München, den 7.Juli 1970

Professor Dr. techn. Eyvind Frederiksen, 2860 Sjfborg, Dänemark. Auspuffsammler für mehrzylindrige Dieselmotoren.

Die Erfindung betrifft einen Auspuffsammler für mehrzylindrige Dieselmotoren, die mit einem Abgasturbulader mit einer Turbine vom Gleichstromtyp versehen sind.

Bei bekannten Anordnungen dieser Art besteht der eigentliche Sammler gewöhnlich aus einem rohrförmigen Behälter, der an die Auslasskanäle der einzelnen Zylinder des Dieselmotors angeschlossen ist und dessen Aufgabe es ist, eine Art Windkessel oder Receiver zwischen diesen Kanälen und der Turbine zu bilden. Um passend kurze Auslasskanäle zu erhalten, kann der Sammler etwa die gleiche Länge wie der Dieselmotor selbst aufweisen, und obwohl sein Querschnitt nicht auf der gesamten Länge derselbe zu sein braucht, wird er oft als kreiszylindrisches Rohr ausgebildet, in das die einzelnen Auslasskanäle einmünden.

Ist der Turbolader, in Längsrichtung des Dieselmotors gesehen, an der Motorenmitte angeordnet, können statt eines einzelnen AuspuffSammlers zwei solche Sammler verwendet werden, deren jeweilige Länge der halben Motorlänge entspricht und die die Abgase von je einer ZyIIndergruppe aufnehmen. Eine entsprechende Halbierung der Sammlerlänge kann bei der Anwendung von zwei Abgasturbuladern vorkommen, die an je einem Ende des Dieselmotors angebracht sind*

Der Zweck der Anwendung solcher konventionellen Sammler zwischen den Auslasskanälen und der Turbine ist im Prinzip das Erzielen eines druckmässigen Ausgleichen der Auspuffverlaufe, so dass die Gesamtmenge an Abgasen von den Zylindern des Dieselmotors dazu gebracht wird, sich in einem gleichmässigen Strom durch die Turbine zu bewegen, welches eine der Bedingungen für einen optimalen Turbinenbetrieb 1st. In der Praxis hat es sich jedoch oft als schwierig erwiesen, dieses Ziel zu erreichen, da die Auspuffimpulse von den Motorzylindern zum Auftreten von in Längsrichtung verlaufenden (longitudinalen) Gasschwingungen im Sammler führen, die einen ungleichmässigen Gasstrom durch die Turbine bewirken, welche folglich dann mit reduziertem Wirkungsgrad arbeitet. Die Gasschwingungen können den Umständen entsprechend ziemlich kräftig sein und werden nur geringfügig durch die Reibung des Gasstromes an der Innenwand des Sammlers gedämpft, da der Sammler aus Rücksicht auf seine Windkesselwirkung

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in bezug auf den Querschnitt der Auslasekanäle einen relativ grossen Querschnitt haben muss.

Die Frequenz und die Stärke der Gasschwingungen sind nicht allein von der Form des Sammlers abhängig, sondern unter anderem auch von der Drehzahl und der Zylinderanzahl sowie von der Zündfolge des Motors. Oft entsprechen die vorherrschenden Frequenzen den niederen Harmonischen des Motors, beispielsweise der Zündfrequenz.

Das Vermögen der Abgasturbine, selbst ausgleichend oder dämpfend auf solche niederfrequenten Schwingungen zu wirken, ist ziemlich beschränkt, und der Austritt der Abgase aus der Turbine ist folglich oft mit erheblichem Lärm verbunden. Wohlbekannte Beispiele hierfür gibt der Lärm von Lokomotiven und Schiffen, deren Antriebsmaschinerie einen Dieselmotor umfasst₃ der mit Hilfe eines Turboladeaggregates druckgeladen wird. Prinzipiell kann man diesen niederfrequenten Lärm dadurch bekämpfen, dass man der Turbine einen geeigneten Schalldämpfer vom Reflexionstyp nachschaltet, doch ist es unvermeidlich, dass ein solcher Schalldämpfer ausserordentlich viel Platz beansprucht, wenn er seinen Zweck zufriedenstellend erfüllen soll, da er aus Rücksicht auf den Turbinenbetrieb nur einen geringen zusätzlichen Strömungswiderstand bieten darfο Bei Lokomotiven mit turbogeladenen Dieselmotoren ist en praktisch ausgeschlossen, Platz für einen zufriedenstellenden Reflexionsdäspfer zu. schaffen. Bei Schiffen können bessere Möglichkeiten bestehen, den notwendigen Platz zu schaffen, z.B. im Zusammenhang mit der Schornsteineinrichtung, doch könnte der hierfür beanspruchte Platz vorteilhaft zu anderen Zwecken verwendet oder eventuell eingespart werden.

Bs ist der Zweck der Erfindung, einen Auspuffsammler zu schaffen, der bei geringem Platzbedarf eine Bekämpfung niederfrequenter Gasschwingungen vor und in der Turbine ermöglicht, so dass diese mit einem entsprechend höheren Wirkungsgrad arbeiten und gleichzeitig der niederfrequente Lärm von der Austrittoffnung der Turbine reduziert werden kann.

Erfindungsgemäss ist der Sammler in zwei oder mehrere, in axialer Reihe liegende Kammern aufgeteilt, die jeweils mit einem oder mehreren Zylindern des Motors in Verbindung stehen und die miteinander und mit der Abgasturbine serienverbunden sind, und zwar durch Ausströmrohre, eins je Kammer:, deren jeweilige Durchströmquerschnitte wesentlich kleiner sind als die DurchstrSmquerschnitte der respektiven Kammern.

Während bisher allgemein die Anschauung vertreten wurde, dass ein als Receiver ausgebildeter Sammler ein ungehindertes Mischen der Abgase aller Zylinder vor ihrem Eintreten in die Turbine ermöglichen und daher keine strömungs-

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hindernden Elemente enthalten sollte, beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass eine Aufteilung des Sammlers in Einzelkammern der Bildung in Längsrichtung verlaufender (longitudinaler), niederfrequenter Gasschwingungen entgegenwirken kann, ohne dass dadurch seine wohlbekannte und angestrebte Receiverwirkung verlorengeht, Dies beruht darauf, dass jede Kammer mit dem zugehörigen Ausströmrohr dadurch, dass sie im Prinzip wie ein sogenannter Helmholtzscher Resonator ausgebildet 1st, wie ein akustisches Tiefpassfilter wirkt, das bei geeigneter Wahl seiner Auslegungen das Strömen der Abgase zur Turbine nicht wesentlich zu hetanen braucht und gleichzeitig turbinen- und lärramässig störenden Gasschwingungen entgegenwirkt.

Der Durchströmquerschnitt der Ausströmrohre kann den vorliegdnen konkretenten konstruktionsverhältnissen gemäss gewählt werden, doch ist es gewöhnlich aus Rücksicht auf geringen Widerstand gegen das Ausströmen des Gases zweckmässig, dass Jedes AusstrÖmrohr einen grösseren Durchströmquerschnitt hat als jedes weiter als dieses von der Turbine entfernte AusstrÖmrohr. Gleichgültig ob die einzelnen Rohre zylindrisch, speziell kreiszylindrisch, sind oder einen in der Strömungsrichtung variierenden Querschnitt haben, kann durch die gegebene Anordnung sichergestellt werden, dass das Ausströmen des Gases aus den verschiedenen Hotorzylindem unter ungefähr dem gleichen Gegendruck geschehen kann, was sowohl infunktionsnässiger als auch konstruktionemässiger Hinsicht für den Motor zweckdienlich ist.

Zum Herabsetzen des betreffenden Gegendrucks können die Eintrittenden der Ausströmrohre so ausgebildet sein, dass der Widerstand gegen das Eintreten des Gases in die Rohre passend klein wird, und susätzlich können erfindungsgemass zwei aufeinanderfolgende Rohre zusammen einen Ejektor in der Kammer bilden, an die diese beiden Ausströmrohre angeschlossen sind. Ein solcher Ejektor wirkt beschleunigend auf das Ausströmen der Abgase aus Nachbarkamaern, wodurch der Gegendruck zusätzlich herabgesetzt wird, so dass das Entleeren der einzelnen Zylinder während der Auslasstakte ebenfalls beschleunigt wird.

Erfindungsgeraäss wird bevorzugt, dass der Auspuffsammler aus einem länglichen Gehäuse bestellt, das durch Querwände in eine Anzahl Einzelkammern aufgeteilt ist, und dass die Ausströmrohre von diesen Wänden getragen werden und sich durch diese hindurch erstrecken. Aus Rücksicht auf die Ejektorwirkung entspricht die LSnge der Rohre etwa der Kammerlänge. Das Gehäuse selbst kann durch Flanschverbindungen in Sektionen mit zwischengeschalteten Kompensatoren zur Aufnahme thermisch bedingter Deformationen aufgeteilt sein und in diesem Fall kann es zweckmässig sein, die erwähnten Querwände in die Flanschverbindungen eingehen zu lassen.

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Mit der hier beschriebenen Ausführungsform ist ein unklompizierter Aufbau des Sammlers erzielt, der sich in seinen Auslegungen leicht der Konstruktion des Dieselmotors, wie z.B. dessen Länge und Zylinderabstand, anpassen lässt und bei dem gleichzeitig die erforderliche Rücksicht auf thermisch bedingte Deformationen genommen werden kann.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist auf der Zeichnung veranschaulicht, und zwar der Einfachheit halber in Verbindung mit einem Dieselmotor mit nur zwei Zylindern, obwohl die Erfindung bei Motoren mit einer grösseren Anzahl Zylinder selbstverständlich aktueller sein kann.

Auf der Zeichnung deuten 1 und 2 die beiden Zylinder des Dieselmotors an,und 3 bezeichnet den Abgasturbulader zum Druckladen der Zylinder auf übliche Weise.

Der Auspuffsammler 4 des Motors ist in zwei Auslasskammern 5 und 6 aufgeteilt, die durch Kanäle 7 und 8 an je einen der beiden Zylinder 1 und 2 angeschlossen sind. Auf der Zeichnung ist angedeutet, dass der Sammler die Form eines kreiszylindrischen Rohres bat, das in zwei Sektionen aufgeteilt ist, die je eine Kammer 5 und 6 bilden und mit Hilfe einer Flanschverbindung mit einem Expansionselement 9 mechanisch zusammengekuppelt sind. An der Flanschverbindung ist eine Querwand 10 eingesetzt, die die Kammern 5 und 6 voneinander trennt, in welche die Auslasskanäle 7 und 8 radial einmünden. Die Anordnung ist jedoch nicht hieran gebunden, indem das Gehäuse des Sammlers, sofern die thermischen Verhältnisse es erlauben, in einem Stück ausgeführt sein kann, und zwar mit in seiner Längsrichtung variierendem, nicht notwendigerweise kreisförmigem Querschnitt, und indem die Richtung der Auslasskanäle beliebig gewählt werden kann.

Die Länge jeder Kammer 5 und 6 1st, wie aus der Zeichnung hervorgeht, in der Hauptsache vom Zylinderabstand bestimmt, doch besteht unter Berücksichtigung der jeweiligen Verhältnisse auch auf diesem Punk: die Möglichkeit, zu variieren. Bei vielzylindrigen Motoren kann es unter Beibehaltung der angegebenen, angestrebten Wirkungen zweckmässig sein, mehrere Auslasskanäle in ein und dieselbe Kammer einmünden zu lassen.

In der Querwand 10 ist ein Ausströmrohr 11 angebracht, das sich von ungefähr der Mitte der Kammer 6, in der das Rohr mit einem trichterförmigen Eintritt 12 versehen ist, bis ungefähr zur Mitte der Kammer 5, wo es im Eintritttrichter 13 des Ausströmrohres 14 dieser Kammer, das zur Turbine 3 führt, endet. Die Ausströmrohre sind normalerweise kreiszylindrisch und haben kegelstumpfförmige Eintritttrichter, und normalerweise sind diese Rohre koaxial mit dem 9ammlergehäuse angeordnet, doch sind auch diese Formgebungsmassnahmen keineswegs obligatorisch. 009 884/1619

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In der Kammer 5 bilden die beiden Ausströmrohre 11 und 14, von denen das letztere einen grösseren Durchströmquerschnitt als das erstere hat, einen Ejektor, der bewirkt, dass das Ausströmen der Abgase aus der Kammer 6 das Ausströmen der Gase aus der Kammer 5 beschleunigt und umgekehrt.

Der beschriebene Sammler ist primär für Zweitakt-Dieselmotoren für Lokomotiven bestemmt, doch ist es enmittelbar einleuchtend, dass sich die Vorrichtung auch auf anderen Gebieten, hierunter sowohl in mobilen als auch ortsfesten Anlagen, und im Zusammenhang mit Zwei- und Viertakt-Dieselmotoren verschiedener Typen, wie Reihenmotoren, V-Motoren und Motoren mit gegenläufigen Kolben in den Zylindern, anwenden lässt. Die Vorrichtung ist auch nicht an eine gegebene ZyIInderanzahl gebunden, und es soll ferner hervorgehoben werden, dass die einzelnen Kammern des AuspuffSammlers jeweils mehr als nur einem Zylinder angeschlossen sein können, z.B. wenn ein einziger Sammler zwei nebeneinander angeordneten Motoren zugeordnet ist.

Wenn zwei aufeinanderfolgende Ausströmrohre wie gezeigt einen Ejektor bilden, kann das Rohr, welches den kleinsten Querschnitt aufweist, kürzer oder langer in das andere Rohr hineingeführt sein, wobei die Ejektorwirkung im wesentlichen in diesem letzteren auftritt.

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Claims (5)

1. Patentansprti c h e

   Auspuffsammler für mehrzylindrige Dieselmotoren, die mit einem Abgasturbulader mit einer Turbine vom Gleichstromtyp versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammler (4) in zwei oder mehrere, in axialer Reihe liegende Kammern (5,6) aufgeteilt ist, die jeweils mit einem oder mehreren Zylindern (1,2) des Motors in Verbindung stehen und die miteinander und mit der Abgasturbine (3) serienverbunden sind, und zwar durch Ausströmröhre (11,14), eins je Kammer, deren jeweilige Durchströmquerschnitte wesentlich kleiner sind als die Durchströmquerschnitte der respektiven Kammern.
2. 2. Auspuffsammler nach Anspruch 1, dadurch gekennzelehnet , dass jedes Ausströmrohr (11,14) einen grösseren Durchströmquerschnitt hat als jedes weiter als dieses von der Turbine (3) entfernte Ausströmrohr.
3. 3. Auspuffsammler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzelehnet, dass zwei aufeinanderfolgende Ausströmrohre zusammen einen Ejektor, in derjenigen Kammer bilden, an die diese beiden Rohre angeschlossen sind.
4. 4. Auspuffsammler nach Anspruch 3, dadurch gekennzelehnet dass er aus einem länglichen Gehäuse besteht, das durch Querwände (10) in eine Anzahl Einzelkammern (5,6) aufgeteilt ist, und dass die Ausströmrohre (11,14) von diesen Wänden getragen werden und sich durch diese hindurch erstrecken.
5. 5. Jeder Dieselmotor, der mit einem Auspuffsammler nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche ausgerüstet ist.

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