DE2858176C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Der abgasseitige Anschluß von Zylindern einer Brennkraftma­ schine an einen Abgasturbolader wirft erhebliche Pro­ bleme hinsichtlich der Vermeidung von Verlusten an kineti­ sche Energie der Abgase auf. Nach dem Stand der Technik wird dieses Problem auf unterschiedliche Weise gelöst.

Die Konstruktion eines Abgasturboladers und seines Ein­ laufes ist an sich bekannt aus der GB-PS 10 58 994, die aber nichts über die Lösung des Anschlußproblemes an die Zylinder aussagt.

Aus der US-PS 32 92 364 ist es bekannt, ausgewählte Zylin­ der einer Zylinderreihe in kleinen Gruppen zusammenzufassen und über getrennte Sammelrohre an Turbinen anzuschließen. Durch Vermeidung schädlicher gegenseitiger Beeinflussung der Zylinder soll die kinetische Energie der Abgase bis zum Turbineneinlauf hochgehalten werden.

Eine ähnliche Lösung zu demselben Zweck ergibt sich aus der CH-PS 4 73 309, die ebenfalls Zylindergruppen über getrennte Sammelrohre an eine Turbine anschließt.

Noch konsequenter verfolgt diesen Lösungsweg der getrennten Abgasführung die Konstruktion der CH-PS 3 96 517, die alle Zylinder an ein gemeinsames Sammelrohr anschließt, das jedoch einen extrem großen Durchmesser hat und in das die Zylinderauslässe schräg einstrahlen. Hier sollen die Abgasströme aller Zylinder einzeln spiralig um das Sammel­ rohr umlaufend getrennt bis zur Turbine laufen.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist nur aus der CH-PS 3 75 954 bekannt, die einen ganz anderen Weg geht. Bei ihr sind die Zylinder an ein gemeinsames enges Sammelrohr angeschlossen, das gegenüber den vorgenannten bekannten Konstruktionen an sich den Vorteil einfacherer Bauweise hätte. Der Anschluß an den Abgasturbinenlader wird bei die­ ser Konstruktion aber über einen das Sammelrohr umgebenden großvolumigen Diffusor erreicht, der auch mit dem rückwär­ tigen offenen Ende des Sammelrohres in Verbindung steht. Nur auf diese Weise schien ausreichend hohe Strömungsgeschwin­ digkeit im Sammelrohr erreichbar. Daraus ergeben sich aber Nachteile hinsichtlich einer insgesamt sehr aufwendigen und großvolumigen Konstruktion und ferner erhebliche Nachteile durch die Umwandlung von kinetischer Strömungsenergie zu­ nächst in potentielle Druckenergie und sodann wieder in kinetische Strömungsenergie, was zu erheblichen Wirkungs­ gradverlusten führt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art unter Beibe­ haltung der Vorteile hinsichtlich der günstigen Konstruk­ tion des Sammelrohres deren Bauartnachteile und deren Strömungsverluste zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 gelöst.

Damit ist das gattungsgemäß mit engem Querschnitt und schnell durchströmt ausgebildete Sammelrohr rückseitig geschlossen und abstromseitig unmittelbar über ein Spiral­ gehäuse mit in Strömungsrichtung abnehmendem Querschnitt an die Turbine angeschlossen. Dabei hat sich überraschend her­ ausgestellt, daß diese Konstruktion, die erhebliche bauli­ che Vorteile insbesondere hinsichtlich der Baugröße auf­ weist, die kinetische Strömungsenergie der den Zylindern entströmenden Gase mit sehr geringen Verlusten der Turbine zuführt. Der groß bauende und verlustreiche Diffusor des gattungsgemäßen Standes der Technik wird dabei ebenso ver­ mieden wie die mehrrohrige Bauweise des sonstigen Standes der Technik.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In den Figuren ist die Erfindung beispielsweise und schema­ tisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht einer schematisiert dargestellten Verbindung zwischen einem Sammelrohr und einem Abgasturbinenlader,

Fig. 2 eine schematische Vorderansicht einer ersten Aus­ führungsform einer Verbindung zum Anschluß des Auslassers des Sammelrohres an die Turbine des Abgasturbinenladers,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt der an der Turbine angebauten Verbindung,

Fig. 4 eine abgewickelte Darstellung der in Fig. 2 und 3 gezeigten Verbindung,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsvariante der genannten An­ schlußverbindung, die aus zwei voneinander ge­ trennten, aneinandergelegten Verbindungen be­ steht,

Fig. 6 eine abgewickelte schematische Darstellung der Verbindung der Fig. 5,

Fig. 7 eine weitere Ausführungsvariante der Anschlußver­ bindung, die aus zwei verbundenen, aneinanderge­ legten halben Verbindungen besteht,

Fig. 8 eine abgewickelte Darstellung der Verbindung der Fig. 7.

Die Erfindung ist an einer Brennkraftmaschine dargestellt, die für mindestens eine Zylinderreihe mit einem Sammelrohr ausgerüstet ist, von dem die Turbine eines Abgasturbi­ nenladers 3 beaufschlagt wird. Das Sammelrohr besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus Abschnitten 2, die jeweils an den zugeordneten Zylinderkopf 9 der Brennkraft­ maschine über Anschlußleitungen angeschlossen sind, die in den Abschnitten 2 in nicht dargestellter Weise derart aus­ gebildet sind, daß die Abgase aus den Zylindern mit Injek­ torwirkung in das Sammelrohr eingeführt werden und in die­ sem eine hohe Strömungsgeschwindigkeit verursachen. Zu diesem Zweck ist weiterhin das dargestellte Sammelrohr mit geringem Querschnitt ausgebildet, so daß sich über dessen gesamte Länge eine Strömung hoher Geschwindigkeit und somit hoher kinetischer Energie ergibt.

Mit seinem Auslaßende ist das Sammelrohr an eine Verbindung 4 angeschlossen, die ihrerseits an den Abgasturbinenlader 3 angeschlossen ist und diesem die Abgase aus dem Sammelrohr zuleitet.

Erfindungsgemäß ist eine Verbindung vorgesehen, welche die Zuführung von Gasen, deren Geschwindigkeit hoch gehalten wird, mit einem Höchstwert an Energie in die Turbine ermög­ licht, wodurch eine von der Motorbelastung möglichst unab­ hängige Energie beibehalten wird. Zu diesem Zweck ist es gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, den aus dem Sammelrohr ausströmenden Gasen einen Querschnitt zur Verfü­ gung zu stellen, der bis zum Turbinenrad abnimmt, um auf diese Weise die vorteilhaften, zum Antrieb dieses Rades notwendigen Bedingungen zu schaffen.

So kann man von der Gesamtenergie, die durch die aus dem Sammelrohr ausströmenden Gase zur Verfügung gestellt wird, den kinetischen Anteil, der am Ausgang des Sammelrohres vorhanden ist, und der von der Last und dem Betriebsbereich des Motors praktisch unabhängig ist, aufrechterhalten.

Vorteilhaft wird dabei zwischen dem Sammelrohr und der Tur­ bine der Durchflußquerschnitt der Gase im wesentlichen li­ near verringert.

In den Fig. 2 bis 4 ist eine erste Ausführungsform dieser Verbindung, die den Anschluß eines erfindungsgemäßen Sam­ melrohres an den Einlaß eines axialen Abgasturbinenladers einer Brennkraftmaschine herstellt, gezeigt.

In dieser ersten Ausführungsform dient zur Verbindung des Auslasses des Sammelrohres mit der axialen Turbine 50 ein Rohrsystem 51 zur Einführung der Gase in die Turbine, wel­ ches keine Düse aufweist und die Form einer Spirale auf­ weist. Dieses Rohrsystem ist auf dem Gestell der Turbine so eingebaut, daß es das Rad 52 der Turbine, welches mit Flügeln 53 der Höhe h versehen ist, über­ deckt. Die Spirale 51 ist so ausgeführt, daß der Gasdurch­ laßquerschnitt sich fortschreitend verjüngt, so daß die An­ griffsgeschwindigkeit der Auspuffgase am Turbinenrad 52 auf dem gesamten Umfang des Rades konstant ist, wobei dieser Querschnitt am Eingang F der Spirale maximal und am Ausgang F′ null ist und dabei entlang des Umfangkreises mit dem mittleren Durchmesser d im wesentlichen linear abnimmt.

Wenn der Auslaßquerschnitt des Sammelrohres so bemessen ist, daß die durch die Turbine angeforderte Geschwindigkeit nicht erreicht wird, kann man in F den Einlaßquerschnitt geringfügig verringern (der Einlaßquerschnitt in F ist dem Querschnitt in G, der den Auslaßquerschnitt des Sammelroh­ res bezeichnet, im wesentlichen gleich oder etwas geringer als dieser), wobei der Durchflußquerschnitt der Gase in der Spirale bis zur Erreichung des Querschnittes am Turbinen­ einlaß in F′ ständig im wesentlichen linear abnimmt.

In den herkömmlichen Anschlüssen zwischen einem Sammelrohr und einer axialen Turbine wird der Winkel, mit welchem die Gase das Turbinenrad beaufschlagen, um die höchste Leistung zu erzielen, durch den Wert der Neigung der Beschaufelung der Turbine am Auslaß des Verteilers bestimmt. Gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der kein Verteiler vorgesehen ist, wird der optimale Beaufschlagungswinkel des Rades 52 durch den Winkel α erhalten, der von der äußeren Fläche der Spirale, auf welche die Gase treffen, und der Ebene des Turbinenrades 52 eingeschlossen wird.

Um eine Anpassung an verschiedene Gasdurchflußmengen herbei­ zuführen, muß man anders als in den herkömmlichen axialen Turbinen vorgehen. Zu diesem Zweck verändert man nach dem Stand der Technik den wirksamen Querschnitt und/oder den Einfallswinkel des Verteilers, wobei das Profil des Rades dem Geschwindigkeitsdreieck, welches sich von der Basis des Flügels dieses Rades bis zu dessen Ende einstellt, angepaßt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Anpassung in der Weise durchgeführt, daß der Durchmesser d _F am Ein­ gang der Spirale 51 und/oder die Höhe h der Flügel 53 des Turbinenrades 52 verändert werden.

Im Falle einer Brennkraftmaschine mit zwei V-förmig ange­ ordneten Zylinderreihen kann man zum Anschluß der Ausgänge beider jeweils einer Zylinderreihe zugeordneter Sammelrohre an die Turbine mit Vorteil eine Spirale mit doppeltem Ein­ laß verwenden, wie das zum Beispiel in Fig. 5 bis 8 gezeigt ist. Jeder Spiraleinlaß erhält dann die Auspuffgase eines einer Zylinderreihe zugeordneten Sammelrohres. Man kann in Abhängigkeit von der Zündfolge der Zylinder und ihrer Anzahl entweder zwei voneinander getrennte, aneinander gelegte, halbe Spiralen verwenden, die jeweils einen halben Sektor des Turbinenrades beaufschlagen. Es handelt sich hierbei um zwei voneinander getrennte Zylinderreihen, wenn der Motor eine ausreichende Anzahl von Zylindern, z. B. vier Zylinder je Reihe mit regelmäßig aufeinander folgender Zün­ dung aufweist. Man kann auch zwei aneinander gelegte, mit­ einander in Verbindung stehende halbe Spiralen verwenden, wenn die Zündung der jeweiligen Zylinder in den Reihen nicht regelmäßig stattfindet.

Die Fig. 5 zeigt eine derartige Anschlußspirale 55, die aus zwei kreisförmig aneinander gelegten halben Spiralen 56 be­ steht, welche jeweils einen Einlaß 57, der zu dem Einlaß der anderen halben Spirale diametral gegenüberliegend ange­ ordnet ist, aufweisen, wobei dieser Einlaß mit einem Sam­ melrohr verbunden ist, welches den Zylinder einer der zwei V-förmig angeordneten Reihen zugeordnet ist. Die Pfeile der Fig. 5 zeigen den Verlauf der Auspuffgase in jeder halben Spirale, wobei letztere durch den Einlaß 57 einfließen und durch die halbe Spirale 56 hindurch bis zu ihrem diametral gegenüberliegenden Ende strömen. Die Fig. 6 zeigt die Ab­ wicklung der beiden halben Spiralen 56 die deutlich von­ einander getrennt sind.

In Fig. 7 besteht die Spirale 58 aus zwei kreisförmig an­ einandergelegten halben Spiralen 59, die miteinander in Verbindung stehen und jeweils einen Einlaß 60 besitzen, der dem Sammelrohr einer Zylinderreihe zugeordnet ist. In der Abwicklung der Fig. 8 erkennt man, daß jede halbe Spirale 59 an ihrem dem Einlaß gegenüberliegenden Ende mit der an­ deren halben Spirale 59 verbunden ist.

Es hat sich gezeigt, daß in einem Motor, der je Zylinder­ reihe 5 bis 9 Zylinder aufweist, die mittlere Geschwindig­ keit der Auspuffgase am Ende eines Sammelrohres nach dem Stand der Technik in der Größenordnung 0,3 Mach, bei einer Vorrichtung nach Fig. 1 zwischen 0,3 und 0,45 Mach und bei der Vorrichtung der Fig. 2 bis 8 zwischen 0,45 und 0,7 Mach liegt.

Die vorliegende Erfindung kann bei Viertaktmotoren und Zweitaktmotoren angewandt werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum auspuffseitigen Anschluß aller Zylin­ der wenigstens einer Zylinderreihe einer Brennkraftma­ schine an einen Abgasturbolader, mit einem an alle diese Zylinder angeschlossenen Sammelrohr geringen Querschnittes für hohe Strömungsgeschwindigkeit sowie mit einer Verbindung zwischen diesem und der am Einlaß mit einem Spiralgehäuse versehenen Turbine, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verbindung als unmittelbarer Anschluß des abstromseitigen Endes des rückwärtig geschlossenen Sammelrohres (2) an das Spiralgehäuse (51, 55, 58) ausgebildet ist, das einen freien zur Turbineneintrittsfläche offenen Innenraum aufweist, dessen Querschnitt in Stromrichtung bis unmittelbar vor die Turbineneintrittsfläche linear bis null abnimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralgehäuse-Einlaß den Durchmesser des Sam­ melrohres aufweist und der -Auslaß als seitlicher Kreisschlitz an den Einlaß der Turbine (52) angeschlos­ sen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, zur Verbindung zweier Sam­ melrohre mit einem Turbinenlader, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spirale (55, 58) in Form zweier aneinander anschließender, jeweils einen Halbkreis der Turbine (52) beaufschlagender Halbspiralen (56, 59) mit jeweils eigenem an das zugehörige Sammelrohr angeschlossenen Einlaß (57, 60) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 zum Anschluß von Sammelroh­ ren, die regelmäßig nacheinander zündende Zylinder versorgen, da­ durch gekennzeichnet, daß die Innenräume der Halbspira­ len (56) voneinander getrennt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, zum Anschluß von Sammel­ rohren, die unregelmäßig nacheinander zündende Zylinder versorgen, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenräume der Halbspi­ ralen (59) endseitig miteinander verbunden sind.