DE2447100A1 - Brennkraftmaschine mit aufladung nach dem stossverfahren - Google Patents

Description

Stork Werkspoor Diesel B.V., Amsterdam, Niederlande. Brennkraftmaschine mit Aufladung nach dem Stossverfahren.

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer an die Auspuffleitung angeschlossenen Turbine-Kompressor-Kombination zur Aufladung nach dem Stossverfahren.

Bei einer Aufladung nach dem Stossverfahren wird die an die Auspuffleitung angeschlossene Turbine durch einen stark pulsierenden Auspuffgasstrom gespeist. Infolge des Druckverhältnisses über den sich öffnenden Ventilspalt wird die Ausströmung des Auspuffgases durch diesen Spalt sonisch und hinter demselben über einen Expansionsfächer supersonisch sein. Weil die Leitungsform keinen supersonen Massentransport zulässt, entstehen Kompressionsstösse stromabwärts , wobei die Geschwindigkeit abnimmt und in Druck zurückkonvertiert. Durch den nachfolgenden Massenstrom wird der Expansionsfächer aufgefüllt (Massengleichgewicht), so dass die Kompressionsstösse sich stromaufwärts schieben, wobei das supersone Strombild abgebrochen wird und die Ausströmung subsonisch weitergeht. In stromabwärtser Richtung ist demzufolge ein Druckstoss von hoher Exergie entstanden, die in Fortschreitungsrichtung weiter ansteigt. Beim Durchgang durch die Turbine solcheiner steiles Druckfront, die mit nahezu sonischer Geschwindigkeit läuft, treten Probleme hinsichtlich der Schaufelumströmung auf, sowohl in den Leit- wie in den Laufschaufeln, wodurch Ver*- lust an Exergie sowie eine Wirkungsgradsenküng des Turbinenprozesses auftritt.

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Weil vorstehend genannte Erscheinungen mit dem mitteren Effektivdruck der Maschine, sowie mit früherem Oeffnen des Auspuffventils zunehmen bilden sie in zunehmenden Masse ein Hindernis für die Anwendungsmöglichkeit des Stosssytems.

Es ist die Aufgabe der Erfindung die Form der, insbesondere bei Maschinen mit hohem mitteren Effektivdruck, auftretenden hohen und steilen Spitze des .Auspuffstosses zu verbessern. Und zwar derart, dass der sprungförmige Gasstoss abgeflacht wird, wodurch die Turbine mit erhöhtem Wirkungsgrad arbeiten kann.

Die Erfindung schafft zu diesem Zweck eine Brennkraftmaschine mit Aufladung nach dem Stossverfahren, wobei in der Auspuffleitung mindestens eine den Durchströmquerschnitt derselben verengende Restriktion angeordnet ist.

Diese Restriktion erschwert das supersone Strömungsmuster, wodurch der Extremwert des Druckstosses hinter der Restriktion in Zeit verzögert wird und die starke Druckschwankung des Gasstosses stark vermindert.

Die Erfindung ist in nachstehender Figurbeschreibung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine, in der ein Zylinder mit Auspuffventil, Auspuffleitung und an dieselbe angeschlossener Turbine dargestellt ist,

Fig. 2 eine schematische Wiedergabe einer 6-Zylinderbrennkraftmaschine mit zugehörigem Auspuffsystem,

Fig. 3 und 4 Diagramme in denen Kurven aufgenommen sind, die

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je Gasstösse an verschiedenen Stellen im Auspuffsystem zeigen und zwar Ein- und Auslassystem ohne Restriktion bzw. mit erfindungsgemasser Restriktion.

In Fig. 1 ist durch die Ziffer 1 ein Zylinder einer Brennkraftmaschine angedeutet, in welchem Zylinder lediglich das Auspuff ventil 2 dargestellt ist. An das Auspuffventil 2 schliesst sich eine Auspuffleitung 3 an, die stromabwärts bei den Leitschaufeln 4 und Laufschaufeln 5 einer Turbine 6 ausmündet. Die Turbine 6 bildet einen Teil einer Turbine-Kompressor-Kombination, von der der Kompressor nicht dargestellt ist.

Zwischen dem Auspuffventil 2 und der Leitschaufel 4 der Turbine 6 ist in der Auspuffleitung 3 erfindungsgemäss eine Restriktion 7 angeordnet, die den Durchströmquerschnitt der Auspuffleitung 3 verengt.

Fig. 2 zeigt eine Brennkraftmaschine 10 mit sechs Zylindern 11, bei der die Auslässe 12 der Zylinder derart an eine gemeinsame Leitung angeschlossen sind, dass die AuspuffPerioden der an diese Leitung angeschlossenen Zylinder einander nicht oder kaum überlappen, damit der Auspuffstoss eines Zylinders die Leerung oder Spülung eines anderen Zylinders nicht nachteilig beeinflussen kann. Bei einer Aufladung nach dem Stossverfahren ist das normale Maximum drei Zylinder, so dass bei einer Sechs-Zylindermaschine nach Fig. 2 zwei Auspuffgruppen 13 gebildet sind, die bei einer gemeinsamen Turbine 14 ausmünden.

Infolge der relativ langen Auspuffleitung sind erfindungsgemäss mehr als eine Restriktion in demselben Auspuffsystem 13 angewandt, weil der physische Mechanismus des Ansteigens der

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Druckfront in stromabwärtser Richtung bestehen bleibt. In Fig. 2 ist nach jedem Zylinder eine Restriktion 15 angeordnet, während in der gemeinsamen Leitung 3 eine Restriktion 16 angeordnet ist.

Vorzugsweise besitzt die Restriktion erfindungsgemäss eine Durchströmöffnung mit einer Venturiform, siehe Fig. 1. Der Vorteil der Venturiform ist, dass die Entropiezunahme minimal bleibt, wodurch die Exergie des Gasstroms bebehalten bleibt.' Dabei ist erfindungsgemäss der Scheitelwinkel an der Diffusorseite des Venturirohres kleiner als 30°.

Der Durchströmquerschnitt der Restriktion kann erfindungsgemäss zwischen 0,25 und 0.90 des Nominaldurchströmquerschnitts der Auspuffleitung variieren. Hierbei muss bemerkt werden," dass bei Anwendung mehrerer Restriktionen pro Gasstrom das Ergebnis mit weniger Strömungsbehinderung zu erzielen ist, wobei der kleinste Durchströmquerschnitt an einer Stelle in der Auspuffleitung in Abhängigkeit vom Strombild möglichst weit stromaufwärts, d.h. so dicht wie möglich nach dem Auspuffventil, und der grösste Durchstömquerschnitt möglichst weit stromabwärts, d.h. so dicht wie möglich vor der Turbine angeordnet werden muss, siehe Restriktion 15 bzw.

Die Aschsenlinie der Durchströmöffnung der Restriktion braucht nicht zentrisch in der Auspuffleitung zu liegen. In Abhängigkeit von der Form der Auspuffleitung, z.B. Krümmungen, liegt diese Achsenlinie aussermittig und fällt diese vorzurgsweise mit der Schwerachse des Gasmassenstroms zusammen.

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Die Diagramme in den Fig. 3 und 4 vergleichen die Stossdrücke an verschiedenen Stellen in der Auspuffleitung in einem Auspuff system ohne Restriktion bzw. in einem Auspuffsystem mit erfindungsgemässer Restriktion. In jedem Diagramm ist die vertikale Achse die Druckachse und die horizontale Achse die Zeitachse. Die Kurve A zeigt den Druck im Zylinder, siehe auch dabei Fig. 1, und die Kurven B,C,D und E bzw. den Druck nach dem Ventilspalt, vor der Restriktion, nach der Restriktion und schliesslich vor der Turbine. Aus den Diagrammen geht deutlich hervor, dass die Kurve E einen HochdrubJcstoss unmittelbar vor der Turbine und in einem Auspuffsystem ohne Restriktion darstellt. Diese Kurve E ist in Fig. 4 deutlich abgeflacht, wobei zudem die Front viel flacher verläuft.

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Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE

   (l.^Brennkraftmaschine mit einer an die Auspuffleitung . angeschlossenen Turbine-Kompressor-Kombination zur Aufladung nach dem Stossverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auspuffleitung mindestens eine den Durchströmquerschnitt derselben verengende Restriktion angeordnet ist.
2. 2. Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmöffnung der Restriktion zwischen 25 und 90% des Nominaldurch Strömquerschnitts der Auspuffleitung variiert, wobei die Durchstromöffnung von der STelle der Restriktion abhängt, die zwischen einem Punkt unmittelbar hinter dem Zylinder bis in der Nähe eines Punktes unmittelbar vor der Turbine variiert.
3. 3. Maschine nach Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmöffnung der Restriktion eine Venturiform besitzt.
4. 4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelwinkel des Venturirohres an der Diffusorseite kleiner als 30° ist.
5. 5. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsenlinie der Durchströmöffnung mit der Schwerachse des Massenstroms in der

   • · Auspuffleitung zusammenfällt.

   .O.O.O.O.OcO.O.

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