DE3121341A1 - Exhaust gas piping system between a multiple-cylinder internal combustion engine supercharged on the back pressure principle and an exhaust turbocharger - Google Patents
Exhaust gas piping system between a multiple-cylinder internal combustion engine supercharged on the back pressure principle and an exhaust turbochargerInfo
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Abgasleitungssystem zwischen einer nach dem Stauprinzip aufgeladenen, mehrzylindrigen Brennkraftmaschine und einem AbgasturboladerExhaust pipe system between one according to the stowage principle supercharged, multi-cylinder internal combustion engine and an exhaust gas turbocharger
Die Erfindung betrifft ein Abgasleitungssystem zwischen einer nach dem Stauprinzip aufgeladenen, mehrzylindrigen Brennkraftmaschine und einem Abgasturbolader, wobei die zylinderkopfseitigen Abgasauslässe der Brennkraftmaschine über gekrümmte Verbindungskanäle mit einer an die Turbine des Abgasturboladers angeschlossenen Abgassammelleitung verbunden sind.The invention relates to an exhaust line system between a multi-cylinder charged according to the stowage principle Internal combustion engine and an exhaust gas turbocharger, the cylinder head-side exhaust gas outlets of the internal combustion engine Via curved connecting channels with one connected to the turbine of the exhaust gas turbocharger Exhaust manifold are connected.
Bei der Stauaufladung einer Brennkraftmaschine wird das Abgas aller Zylinder in ein gemeinsames, großvolumiges AbgassammeIrohr überführt und von dort unter annähernd konstantem Druck der Turbine des Abgasturboladers zugeleitet. Die potentielle Energie des Abgases, die am Ende jedes Arbeitstaktes im Zylinder enthalten ist, wird dabei durch Beschleunigung in den Auslaßventilen teilweise in kinetische Energie umgesetzt, die dann aber durch Verwirbelung beim Übergang ins Abgasleitungssystem größtenteils wieder verlorengeht. Der Verlust an potentieller Abgasenergie beträgt dabei zwischen 20 und 45 %.In the case of back-up charging of an internal combustion engine, this is the case Exhaust gas from all cylinders is transferred into a common, large-volume exhaust gas collection tube and from there under approximately constant pressure fed to the turbine of the exhaust gas turbocharger. The potential energy of the exhaust gas, which on The end of each work cycle is contained in the cylinder, is thereby due to acceleration in the exhaust valves partially converted into kinetic energy, which is then generated by turbulence during the transition into the exhaust pipe system is largely lost again. The loss of potential exhaust gas energy is between 20 and 45%.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Abgasleitungssystem der eingangs genannten Art dahingehend auszu-It is therefore the object of the invention to provide an exhaust pipe system of the type mentioned at the beginning
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bilden, daß das Energieangebot an der Turbine des Abgasturboladers vergrößerbar ist, d. h. die kinetische Energie des Abgases soll möglichst verlustarm in einen höheren als mit bisher bekannten Mitteln erreichbaren statischen Druck umgewandelt werden können, außerdem soll das zu schaffende Abgasleitungssystem kostengünstiger als bekannte Abgasleitungssysteme herstellbar sein und darüber hinaus auch weniger Platz am Motor beanspruchen.form that the energy supply at the turbine of the exhaust gas turbocharger can be enlarged, d. H. the kinetic energy of the exhaust gas should be transferred with as little loss as possible higher static pressure than achievable with previously known means can also be converted the exhaust pipe system to be created should be more cost-effective can be produced as known exhaust pipe systems and, moreover, less space on the engine claim.
Diese Aufgabe ist bei einem Abgasleitungssystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Merkmale entsprechend dem Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst, nämlichIn the case of an exhaust gas line system of the type mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention through the combination the following features solved according to the characterizing part of claim 1, namely
- die Verbindungskanäle bestehen jeweils aus einem zylinderkopfseitig abgehenden, gekrümmten Teilstück, das sich in Form eines Diffusors fortsetzt, der sich auf den Durchmesser der Abgassammelleitung erweitert, in letztere mit kreisförmigem, ovalem oder ähnlichem Querschnitt sowie mit einer Neigung Ck seiner Achse von etwa 45 zu deren Längsachse einmündet und auf seiner Druckseite ein geradlinig in die Abgassammelleitung einlaufendes Teilstück aufweist,- The connecting channels each consist of a curved section going out on the cylinder head side, which continues in the form of a diffuser that expands to the diameter of the exhaust manifold, in the latter with a circular, oval or similar cross-section and with an inclination Ck to its axis of about 45 the longitudinal axis of which opens and on its pressure side has a section that enters the exhaust manifold in a straight line,
- der Durchmesser DÄT der Abgassammelleitung gehorcht nachstehender Gleichung, nämlich- The diameter D AT of the exhaust manifold obeys the following equation, namely
wobei mit V das Hubvolumen eines Zylinders der Brennkraftmaschine, mit i die Anzahl der an die Abgassammelleitung angeschlossenen Zylinder und mit 1 T die Länge der Abgassammelleitung bezeichnet sind,where V denotes the displacement of a cylinder of the internal combustion engine, i denotes the number of cylinders connected to the exhaust manifold and 1 T denotes the length of the exhaust manifold,
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- die Abgassammelleitung ist über einen Doppeldiffusor an den Turbineneintritt des Abgasturboladers angeschlossen. - the exhaust manifold is via a double diffuser connected to the turbine inlet of the exhaust gas turbocharger.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous configurations and developments of this solution are characterized in the subclaims.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Abgasleitungssystems wird die kinetische Energie des aus den Zylindern ausströmenden Abgases stufenweise in statischen Druck umgewandelt. Das aus dem zylinderkopfseitigen Abgaskanal in einen der Verbindungskanäle einströmende Abgas wird in dem sich an das gekrümmte Teilstück anschließenden Diffusor verzögert und gleichzeitig infolge der Schrägstellung des Diffusors in Richtung zum Abgasturbolader umgelenkt. Die kinetische Energie des Abgases wird dabei teilweise in statischen Druck umgewandelt und teilweise an das im Abgassammelrohr vorhandene Abgas weitergegeben. Ein weiterer Teil der kinetischen Energie des ausströmenden Abgases wird durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Doppeldiffusors am übergang von der Abgassammelleitung zum Turbineneintritt ebenfalls in vorteilhafter Weise in statischen Druck umgewandelt. Durch die erfindungsgemäße Abgasführung ist mithin eine wesentlich höhere Arbeitsfähigkeit der aus den Zylindern austretenden Abgase gegeben, als dies bei bisher bekannten Systemen möglich war. Dadurch, daß der Durchmesser der Abgassammelleitung auf das Hubvolumen der Zylinder der Brennkraftmaschine abgestellt ist, ist eine gegenüber bekannten Abgassammelleitungen wesentlich volumenkleinere Abgassammelleitung erzielbar, die an der Brennkraftmaschine auch weniger Raum beansprucht. Das erfindungsgemäße Abgasleitungssystem ist insgesamt gesehen auch billiger als bekannte Abgasleitungssysteme herstellbar,Due to the inventive design of the exhaust pipe system the kinetic energy of the exhaust gas flowing out of the cylinders gradually becomes static Pressure converted. The one flowing into one of the connecting channels from the exhaust gas duct on the cylinder head side Exhaust gas is delayed in the diffuser adjoining the curved section and at the same time as a result the inclination of the diffuser is deflected in the direction of the exhaust gas turbocharger. The kinetic energy of the Exhaust gas is partly converted into static pressure and partly to the pressure present in the exhaust manifold Passed exhaust gas. Another part of the kinetic energy of the exhaust gas flowing out becomes by the inventive arrangement of a double diffuser at the transition from the exhaust manifold to Turbine inlet also advantageously converted into static pressure. By the invention Exhaust gas routing is therefore a significantly higher working capacity of the exhaust gases emerging from the cylinders given than was possible with previously known systems. Because the diameter of the exhaust manifold is based on the displacement of the cylinder of the internal combustion engine, is an opposite known Exhaust manifolds significantly smaller-volume exhaust manifold achievable on the internal combustion engine also takes up less space. The exhaust gas line system according to the invention is also seen as a whole cheaper to manufacture than known exhaust pipe systems,
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letzteres aufgrund der volumenkleineren Abgassammelleitung und wegen kleinerer Zubehörteile, wie beispielsweise die erforderlichen, jedoch kleineren Dilatationskomp ens ato r en.the latter because of the smaller exhaust manifold and because of smaller accessories, such as the necessary, albeit smaller, dilation compensators.
Nachstehend sind das erfindungsgemäße Abgasleitungssystem sowie weitere Vorteile desselben anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine näher erläutert. In der Zeichnung zeigenThe following are the exhaust pipe system of the present invention and further advantages of the same based on an embodiment shown in the drawing for a multi-cylinder internal combustion engine explained in more detail. Show in the drawing
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Abgasleitungssystemes,
15Fig. 1 is a side view of an embodiment of the exhaust pipe system according to the invention,
15th
Fig. 2 einen Schnitt durch das Abgasleitungssystem gemäß Fig. 1 entlang der dort eingetragenen Schnittlinie II-II,FIG. 2 shows a section through the exhaust pipe system according to FIG. 1 along the line there registered section line II-II,
Fig. 3 einen Schnitt durch das Abgasleitungssystem entlang der in Fig. 2 eingetragenen Schnittlinie III-III,3 shows a section through the exhaust pipe system along the section line III-III entered in FIG. 2,
Fig. 4 einen Schnitt durch das Abgasleitungssystem entlang der in Fig. 2 eingeFIG. 4 shows a section through the exhaust pipe system along the line shown in FIG
tragenen Schnittlinie IV-IV.section line IV-IV.
Das in den Figuren dargestellte Abgasleitungssystem erstreckt sich zwischen einer nach dem Stauprinzip aufgeladenen, nicht dargestellten mehrzylindrigen Brennkraftmaschine und einem ebenfalls nicht dargestellten, seinem Aufbau nach an sich bekannten Abgasturbolader. Die zylinderkopfseitigen Abgasauslässe der Brennkraftmaschine sind über gekrümmte Verbindungskanäle 1 mit einer an den Turbineneintritt 2 der Turbine des Abgasturboladers angeschlossenen Abgassammelleitung 3 verbunden. The exhaust pipe system shown in the figures extends between a multi-cylinder internal combustion engine (not shown) that is charged according to the stagnation principle and an exhaust gas turbocharger, which is also not shown and which is known per se in terms of its structure. The exhaust gas outlets of the internal combustion engine on the cylinder head side are connected via curved connecting ducts 1 an exhaust manifold 3 connected to the turbine inlet 2 of the turbine of the exhaust gas turbocharger.
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Erfindungsgemäß bestehen die Verbindungskanäle 1 jeweils aus einem zylinderkopfseitig abgehenden, gekrümmten Teilstück 4, das sich in Form eines Diffusors 5 fortsetzt. Der Gaseintrittsquerschnitt jedes gekrümmten Teilstückes 4 ist vornehmlich kreisrund und an den Durchmesser der zylinderkopfseitigen Abgasauslässe angepaßt ausgebildet. Jeder sich daran anschließende Diffusor 5 erweitert sich erfindungsgemäß auf den Durchmesser D der Abgassammelleitung 3 und mündet in letztere mit kreisförmigem oder ovalem oder ähnlichem Querschnitt sowie mit einer Neigung <* seiner Achse 6 von etwa 45 zur Längsachse 7 der Abgassammelleitung in diese ein. Der in Fig. 2 zwischen der Achse 6 jedes Diffusors und der Achse 7 der Abgassammelleitung eingeschlossene Neigungswinkel o(. muß jedoch nicht notwendigerweise exakt 45 betragen, sondern kann auch um einige Grade darunter oder darüber betragen.According to the invention, the connecting ducts 1 each consist of a curved section 4 extending on the cylinder head side and continuing in the form of a diffuser 5. The gas inlet cross-section of each curved section 4 is primarily circular and designed to be adapted to the diameter of the exhaust gas outlets on the cylinder head side. Each adjoining diffuser 5 expands according to the invention to the diameter D of the exhaust manifold 3 and opens into the latter with a circular or oval or similar cross section and with an inclination of its axis 6 of about 45 to the longitudinal axis 7 of the exhaust manifold. The angle of inclination o ( included in FIG. 2 between the axis 6 of each diffuser and the axis 7 of the exhaust gas manifold, however, does not necessarily have to be exactly 45, but can also be a few degrees below or above it.
Darüber hinaus besitzt jeder Diffusor 5 auf seiner Druckseite, das ist die dem Abgasturbolader jeweils abgewandte Seite, ein geradlinig in die Abgassammelleitung 3 einlaufendes Teilstück 8. Dieses geradlinige Teilstück 8 jedes Diffusors 5, das sich zwischen dem gekrümmten Teilstück 4 jedes Verbindungskanales und der Einmündungsstelle des Diffusors 5 in die Abgassammelleitung 3 erstreckt, besitzt in vorteilhafter Weise eine Länge von mindestens dem 0,3-fachen des Durchmessers D der Abgassammelleitung 3.In addition, each diffuser has 5 on its pressure side, that is, the one facing away from the exhaust gas turbocharger Side, a straight line in the exhaust manifold 3 incoming section 8. This straight line Section 8 of each diffuser 5, which extends between the curved section 4 of each connecting channel and extends the junction of the diffuser 5 in the exhaust manifold 3, has in advantageous Way a length of at least 0.3 times the diameter D of the exhaust manifold 3.
Der Durchmesser D der Abgassammelleitung 3 gehorcht erfindungsgemäß nachstehender Gleichung, nämlichAccording to the invention, the diameter D of the exhaust manifold 3 obeys the following equation, namely
VH V H
irιirι
ALAL
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wobei mit V„ das Hubvolumen eines Zylinders der Brennkraftmaschine, mit i die Anzahl der an die Abgassammelleitung 3 angeschlossenen Zylinder und mit 1 die Länge das Abgassammelleitung 3 bezeichnet sind. 5where with V "the displacement of a cylinder of the internal combustion engine, with i the number of cylinders connected to the exhaust manifold 3 and with 1 the length the exhaust manifold 3 are designated. 5
Darüber hinaus ist entsprechend einem weiteren Kombinationsmerkmal der Erfindung die Abgassammelleitung 3 über einen Doppeldiffusor 9 an den Turbineneintritt des Abgasturboladers angeschlossen. Letzterer bildet dabei den übergang von der Abgassammelleitung 3 zum Turbineneintritt 2. In vorteilhafter Weise besitzt dabei das äußere Diffusorrohr 10 des Doppeldiffusors 9 einen größeren öffnungswinkel als das darin konzentrisch angeordnete Diffusorrohr 12 und ist mit seinem turbinenseitigen Austrittsquerschnitt an den Querschnitt des Turbineneintritts 2 angepaßt. Das innere Diffusorrohr ist im gezeigten Ausführungsbeispiel über Streben 11 innerhalb des äußeren Diffusorrohres gehaltert. Das innere Diffusorrohr 12 kann alternativ hierzu jedoch auch über einen eigenen Flansch und Streben zwischen Turbinengehäuse und Diffusorrohr 10 eingespannt sein.In addition, it is a further combination feature of the invention, the exhaust manifold 3 via a double diffuser 9 to the turbine inlet connected to the exhaust gas turbocharger. The latter forms the transition from the exhaust manifold 3 to Turbine inlet 2. The outer diffuser tube 10 of the double diffuser 9 advantageously has it a larger opening angle than that concentric in it arranged diffuser tube 12 and is with its turbine-side outlet cross-section to the cross-section of the turbine inlet 2 adapted. In the exemplary embodiment shown, the inner diffuser tube is via struts 11 supported within the outer diffuser tube. That As an alternative to this, however, the inner diffuser tube 12 can also have its own flange and struts between Turbine housing and diffuser tube 10 be clamped.
Die einen runden Abgasquerschnitt aufweisende Abgassammelleitung 3 ist in vorteilhafter Weise aus mehreren, wärmeelastisch nachgiebig miteinander verbundenen und gegeneinander abgedichteten sowie wenigstens einen Verbindungskanal 1 tragenden Leitungsstücken 13 zusammengesetzt. Diese einzelnen Leitungsstücke 13 sowie der Doppeldiffusor 9 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel miteinander über Dilatationskompensatoren 14 verbunden, so daß eine hinreichende Wärmeausdehnung dieser Teile bei Aufheizung durch die Abgase gewährleistet ist. Es könnten jedoch auch andere Verbindungen verwendet werden. In vorteilhafter Weise sind fer-5 ner die einzelnen Leitungsstücke 13 der Abgassammel-The exhaust manifold with a round exhaust gas cross-section 3 is advantageously made up of several, thermally resiliently connected to one another and mutually sealed and at least one connecting channel 1 carrying line pieces 13 assembled. These individual line pieces 13 and the double diffuser 9 are in the embodiment shown connected to one another via dilation compensators 14, so that sufficient thermal expansion these parts are guaranteed when heated by the exhaust gases. However, other connections could also be used be used. Advantageously, the individual pipe sections 13 of the exhaust gas collector are also
PB 3106/1514 - XL-4θ ~ PB 3106/1514 - XL-4θ ~
leitung 3 zusammen mit den in sie einmündenden Verbindungskanälen 1 sowie gegebenenfalls auch der Doppeldiffusor 9 jeweils einstückig durch Gießen hergestellt.line 3 together with the connecting channels 1 opening into it and possibly also the double diffuser 9 each made in one piece by casting.
Der Doppeldiffusor 9 besitzt an seinem turbinenseitigen Ende einen Befestigungsflansch 15, mit dem er direkt - oder unter Zwischenschaltung eines weiteren Dilatationskompensators - am Turbinengehäuse des Abgasturboladers festgelegt ist; darüber hinaus besitzt auch jeder der Verbindungskanäle 1 einen Befestigungsflansch 16, über den der jeweilige Verbindungskanal 1 mittels Schrauben am zugehörigen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine festgelegt ist.The double diffuser 9 has on its turbine side End of a mounting flange 15 with which he directly - or with the interposition of a further expansion compensator - Is fixed on the turbine housing of the exhaust gas turbocharger; in addition, everyone also owns of the connecting channels 1 has a mounting flange 16 via which the respective connecting channel 1 is screwed is set on the associated cylinder head of the internal combustion engine.
Beim Eintritt des Abgases in die Verbindungskanäle 1 wird dieses zunächst im jeweiligen gekrümmten Teilstück 4 partiell in eine neue Richtung umgelenkt, dann innerhalb jedes Diffusors 5 an dessen geradem Teilstück 8 stabilisiert und mit teilweisem Druckrückgewinn in die Abgassammelleitung 3 an das dort bereits vorhandene Abgas eingeleitet. Durch den Sachverhalt, daß die erfindungsgemäße AbgasSammelleitung 3 einen kleineren Strömungsquerschnitt als bislang bekannte Abgassammelleitungen besitzt, ist in der erfindungsgemäßen Abgassammelleitung eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Abgases gewährleistet. Ein weiterer Druckrückgewinn ist durch den Doppeldiffusor am turbineneintrittsseitigen Ende der Abgassammelleitung gegeben. Das erfindungsgemäß ausgestaltete Abgasleitungssystem gewährleistet ein Betreiben des Abgasturboladers mit einem größeren Energieangebot und ruft insbesondere auch ein günstiges Teillastverhalten sowie ein besseres Beschleunigungsverhalten hervor.When the exhaust gas enters the connecting ducts 1 if this is first partially deflected in a new direction in the respective curved section 4, then stabilized within each diffuser 5 at its straight section 8 and with partial pressure recovery introduced into the exhaust manifold 3 to the exhaust gas already present there. By the fact that the exhaust gas manifold 3 according to the invention one has a smaller flow cross-section than previously known exhaust manifolds, is in the invention Exhaust manifold ensures a higher flow rate of the exhaust gas. Another Pressure recovery is provided by the double diffuser at the turbine inlet end of the exhaust manifold. The exhaust gas line system designed according to the invention ensures that the exhaust gas turbocharger is operated with a greater amount of energy and calls in particular a favorable part-load behavior as well as a better acceleration behavior.
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Claims (6)
Merkmalecharacterized by the combination of the following
characteristics
der Abgassammelleitung (3) erweitert, in letztere mit kreisförmigem, ovalem oder ähnlichem Querschnitt sowie mit einer Neigung ck seiner Achse (6) von etwa 45 zu deren Längsachse (7) einmündet und auf seiner Druckseite ein geradlinig in die
Abgassammelleitung (3) einlaufendes Teilstück
aufweist,Part (4), which continues in the form of a diffuser (5), which extends to the diameter D
the exhaust manifold (3) extends, opens into the latter with a circular, oval or similar cross-section and with an inclination ck its axis (6) of about 45 to its longitudinal axis (7) and on its pressure side a straight line into the
Exhaust manifold (3) incoming section
having,
AL Kr
AL
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