DE3343429A1

DE3343429A1 - Mehrzylindrige hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem pulse-converter

Info

Publication number: DE3343429A1
Application number: DE19833343429
Authority: DE
Inventors: Richard 5216 Niederkassel Bartels
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1983-12-01
Filing date: 1983-12-01
Publication date: 1985-06-13
Also published as: DE3343429C2

Description

Klöckner-Humboldt-Deutz AG

5000 Köln 80, den 29.Nov.1983 D 83/53 AE-ZPB P/B

Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Pulse-converter

Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und zumindest einem einer Abgasturbine zur Beaufschlagung mit Abgasenergie mehrerer Zylinder vorgeschalteten Pulse-Converter, der zwei vorzugsweise unter einem spitzen Winkel zueinander in einen Abgasmischraum mündende Zweigleitungen zur Kopplung an Abgasleitungsstränge aufweist.

Bei Brennkraftmaschinen mit Stoßaufladung wird neben dem adiabatischen Gefälle der Abgase auch noch deren Strömungsenergie in der Turbine des Abgasturboladers ausgenutzt. Zur gleichmäßigen Beaufschlagung der Turbine sind dabei üblicherweise die Abgasstränge mehrerer Zylinder einer Zylinderreihe zusammengefaßt, wobei jedoch für einen störungsfreien Betrieb nur Zylinder mit einem Zündabstand zusammengefaßt werden sollten, der einen bestimmten Wert, erfahrungsgemäß mindestens 240 ° Kurbelwellenwinkel, nicht unterschreitet, damit die Abgasdruckwelle des ausschiebenden Zylinders die Spülung des Zylinders, der an der gleichen Leitung liegt, nicht stört.

Bei bestimmten mehrzylindrigen Hubkolbenbrennkraftmaschinen, so z. B. bei 8- und 16-Zylinderbrennkraftmaschinen, läßt sich die Stoßaufladung in dieser Form und unter der

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Voraussetzung, mit einem zweiflutigen Turbinengehäuse auszukommen, aufgrund der Einhaltung des minimalen Zündwinkelabstandes im wesentlichen dann einhalten, wenn diese mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine in der eingangs genannten Art mit einem Pulse-Converter ausgerüstet ist.

üblicherweise ist der Pulse-Converter im Mündungsbereich der Zweigleitungen mit einer den Einlauf der Zweigleitungen in den weiterführenden Abgasmischraum gleichmäßig tei- !enden festen Mittelwand (Zunge) versehen. Für die Gestaltung des Pulse-Converters ist davon auszugehen, daß große Mündungsquerschnitte am Ende der festen Mittelwand erhebliche Verbesserungen des Kraftstoffverbrauches mit sich bringen, wobei jedoch dann der Nachteil von rücklaufenden Druckwellen, die bei bestimmten Drehzahlen die Spülphase einzelner Zylinder stören, in Kauf genommen werden müssen.

Um die Rückspülung von Abgase und somit die Störung der Spülphase der einzelnen Zylinder zu vermeiden, ist bekannt, die Steuerzeiten der Brennkraftmaschine im Sinne eines früheren Schließens des Auslaßventiles zu beeinflussen, wodurch allerdings eine höhere Abgastemperatur bedingt ist. Dies führt insbesondere bei mit Schweröl betriebenen Brennkraftmaschinen zu der Gefahr von Ablagerungen und zur Heißgaskorrosion im Abgasturbolader, was bei gegebenen Abgasturboladerausführungen durch eine Begrenzung der Leistungsausnutzung der Brennkraftmaschine kompensiert werden muß.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Nutzbarmachung des beschriebenen Vorteils des guten Kraftstoffverbrauchs bei einer optimierten Leistungsausnutzung der Brennkraftmaschine ermöglicht.

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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die gattungsgemäße mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Mündungsquerschnitt der Zweigleitungen des Pulse-Converters mittels eines Steuerorgans veränderbar ist. Hierdurch ist eine mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine geschaffen, mit der rücklaufende Druckwellen und somit eine Störung der Spülphase der Zylinder zu vermeiden sind, indem mittels des Steuerorgans die nicht vom Abgas durchströmte Zweigleitung in ihrem Mündungsquerschnitt verkleinert bzw. mehr oder weniger abgesperrt wird bei gleichzeitiger öffnung bzw. Vergrößerung des Mündungs- bzw. Abgasaustrittsquerschnittes der durchströmten Zweigleitung des Pulse-Converters. Somit ist die volle Leistungsausnutzung der Brennkraftmaschine möglich.

Der Abgasstrom des jeweils ausschiebenden Zylinders kann durch die freigegebene Zweigleitung ohne Drosselwirkung am Mündungsquerschnitt in den Abgasmischraum einströmen, so daß ein sehr guter Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine erreicht werden kann.

Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Ansprüche 2 bis 16 verwiesen, wobei die Ausgestaltung nach Anspruch 3 besonders hervorgehoben werden soll, da hierbei auf konstruktiv sehr einfache Weise das erfindungsgemäße Steuerventil durch eine drehbare Klappe ausgebildet ist, die ohne sonstige besondere bauaufwendige Maßnahmen insbesondere für eine Betätigung durch den jeweils ausströmenden Abgasstrom in vorteilhafter Weise vorgesehen werden kann. Des weiteren kann durch eine derartige Klappe durch sehr einfache und somit kostengünstige Maßnahmen der für den jeweiligen speziellen Anwendungsfall jeweils optimale freizugebende bzw. abzusperrende Mündungsquerschnitt

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dargestellt werden. Derartige optimierte Mündungsquerschnitte sind beispielsweise in den Ansprüchen 7 und 8 näher gekennzeichnet und durch die erfindungsgemäßen Gestaltungen der Klappe nach den Ansprüchen 9 bis 11 auf einfaehe Weise realisierbar.

Aufbau- und Funktionseigenschaften der Erfindung sowie ihre Vorteile werden nun anhand der beiliegenden schematischen Zeichnungen einiger Ausführungsbeispiele näher beschrieben. In den Zeichnungen sind nur die zum unmittelbaren Verständnis der Erfindung dargestellten Ausschnitte des Pulse-Converters dargestellt. Es zeigen:

Fig.l ein erstes Ausführungsbeispiel in einer Quer-Schnittsdarstellung;

Fig.2 einen Längsschnitt entsprechend der Linie II-II des

Ausführungsbeispiels nach Fig. 1;

Fig. 3 ein alternatives Ausführungsbeispiel in einer schematischen Querschnittsdarstellung; Fig.4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung/

ebenfalls in einer schematischen Querschnittsdarstellung.

In den Zeichnungen sind grundsätzlich gleichwirkende Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen. Allgemein mit 1 ist der ausschnittsweise dargestellte Pulse-Converter einer nicht näher dargestellten Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet, der einen Abgasmischraum 2 aufweist, in den unter einem spitzen Winkel zueinander die beiden Zweigleitungen 3a und 3b münden. Im einzelnen nicht näher dargestellt sollen die Zweigleitungen 3a und 3b an Abgasleitungsstränge von jeweils zwei Zylindern einer Zylinderreihe der Hubkolbenbrennkraftmaschine gekoppelt sein, z. B.

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bei einer e-Zylinderreihenbrennkraftmaschine die Abgasleitung 3b an die Zylinder I und VIII und die Zweigleitung 3a an die Zylinder VII und II. Der Abgasmischraum 2 steht - wiederum nicht im einzelnen dargestellt - mit einem Abgasturbolader in Strömungsverbindung. Im Mündungsbereich der Zweigleitungen 3a und 3b ist in den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 4 ein als um eine Drehachse 4 schwenkbare Klappe 5 ausgebildetes Steuerorgan vorgesehen. Die Klappe 5 ist sowohl der Zweigleitung 3a als auch der Zweigleitung 3b zugeordnet und wird durch den skizzierten Abgasstrom 6 der durchströmten Zweigleitung 3a betätigt, so daß beim Durchströmen der Zweigleitung 3a diese freigegeben wird, wohingegen im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die nicht durchströmte Zweigleitung 3b fast vollständig verschlossen ist. Die Klappe 5 ist für eine optimale Betätigung derart angelenkt, daß sie sich um ihre Drehachse 4 im Gleichgewicht befindet.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind weiterhin in den Gehäusewänden 7 des Pulse-Converters 1 Aufnahmeräume 8 für ein Kühlmedium, z. B. Kühlwasser, vorgesehen, um den Pulse-Converter ohne zusätzliche Isolierung gut zugänglich an der Brennkraftmaschine anbauen zu können.

Der Längsschnitt nach Fig. 2 verdeutlicht das in Fig.l dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung, insbesondere die erfindungsgmäße Lagerung der Klappe 5. Wie ersichtlich, sind die Gehäusewände 7 im Drehbereich der Klappe 5 planparallel ausgebildet. Die Klappe 5 ist in schmiermittelfreien Lagerkörpern abseits vom Abgasstrom 6 bzw. 10 an der Gehäuseaußenwandung 7 des Pulse-Converters

I vorgesehen und durch berührungslose Labyrinthdichtungen

II gegen übermäßiges Eindringen von Abgas geschützt. Die

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Lagerköper weisen axial angestellte Kegelbuchsen 12, vorzugsweise aus Hartmetall, und Hartmetallkugeln 13 auf, so daß die Klappe 5 reibungsarm, schmutzunempfindlich, abriebfest, wärmebeständig und schmiermittelfrei in den Lagerkörper 9 radial und axial gelagert ist. Durch eine Verstärkung oder Verminderung der Lagerreibung kann darüber hinaus eine gezielte Dämpfung der Drehbewegung der Klappe 5 eingestellt werden. Das Eindringen von Abgas in die Labyrinthdichtung wird darüber hinaus durch Zufuhr von Sperrluft über die Anschlüsse 14 verhindert. Die Kühlräume 8 der Gehäusewandung 7 sind bis nahe an die Lagerkörper 9 herangezogen, so daß die Lagerstellen der Klappe 5 wirksam gekühlt werden.

Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1 bis 4 unterscheiden im wesentlichen durch die Ausbildung der Klappe 5 und der dadurch bedingten verschiedenen Darstellungsmöglichkeit unterschiedlicher Mündungsquerschnitte bei im wesentlichen gleichen Abgasgeschwindigkeiten, womit die große Variationsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Klappe bei minimalem Bauaufwand an die Erfordernisse des jeweiligen Einzelfalles beispielhaft angedeutet ist.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Klappe im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet und weist eine derartige Länge auf, daß bei Durchströmen der Zweigleitung 3a bei den verschiedenen Abgasgeschwindigkeiten zwischen Teillast- und Vollastbetrieb die Zweigleitung 3a zu 70 bis 100 % freigegeben ist, währenddessen die Zweigleitung 3b zu 50 bis 100 % abgesperrt ist. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist hingegen die Klappe 5 im wesentlichen trapezförmig ausgebildet und gibt in ihrer Mittelstellung, die sie auch im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine beibehält, ca. 45 % des Zweigleitungsquerschnittes F frei. 35

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Durch die im wesentlichen keilförmige Gestaltung der Steuerklappe 5 nach Fig. 4 kann hingegen in der gleichen Mittellage der Klappe 5, die auch hier wiederum bei Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine beibehalten werden soll, ca. 85 % der Zweigleitungsquerschnittsfläche F freigegeben werden. Erst bei höheren Belastungszustanden der Brennkraftmaschine wird dann die Klappe 5 um die Drehachse 4 zur Vergrößerung des Mündungsquerschnittes der durchströmten Zweigleitung 3a bewegt.

Claims

Klöckner-HumboWt-Deutz AG 5000 Köln 80, den 29.Nov.1983 D 83/53 AE-ZPB P/B Patentansprüche

1.) Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und zumindest einem einer Abgasturbine zur Beaufschlagung mit Abgasenergie mehrerer Zylinder vorgeschalteten Pulse-Converter (1), der zwei vorzugsweise unter einem spitzen Winkel zueinander in einen Abgasmischraum (2) mündende Zweigleitungen (3a, 3b) zur Kopplung an Abgasleitungsstränge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mündungsquerschnitt der Zweigleitungen (3a, 3b) des Pulse-Converters (1) mittels eines Steuerorgans (5) veränderbar ist.

2. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Zweigleitungen (3a, 3b) ein gemeinsames Steuerorgan (5) zugeordnet ist.

3. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2 und mit einem Pulse-Converter (1), der mit Zweigleitungen (3a, 3b) versehen ist, die im Mündungsbereich eine gemeinsame Trennwand aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teilbereich der gemeinsamen Trennwand als drehbare Klappe (5) ausgebildet ist und als Steuerorgan dient.

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4. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulse-Converter (1) im Drehbereich der Klappe (5) planparallele Gehäusewände (7) aufweist.

5. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (5) sich um ihre Drehachse (4) im Gleichgewicht befindet.

6. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (5) durch den aus einer Zweigleitung (3a, 3b) ausströmenden Abgasstrom (6, 10) betätigbar ist.

7. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (5) derart ausgebildet bzw. angeordnet ist, daß die durchströmte Zweigleitung (3a, 3b) zu 70 bis 100 % freigebbar währenddessen die nicht durchströmte Zweigleitung (3a, 3b) zu 50 bis 100 % absperrbar ist.

8. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (5) derart ausgebildet bzw. angeordnet ist, daß die Zweigleitungen (3a, 3b) in der Mittelstellung der Klappe (5) einen Mündungsquerschnitt von 45 bis 85 % des Zweigleitungsquerschnitts (F) aufweisen.

9. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (5) einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweist.

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10. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (5) einen im wesentlichen keilförmigen Querschnitt aufweist.

11. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (5) einen im wesentlichen trapzeförmigen Querschnitt aufweist.

12. Mehrzylindrige Hubkolbenbrenkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (5) in schmiermittelfreien Lagerkörpern (9) mit axial angestellten Kegelbuchsen (12) radial und axial gelagert ist.

13. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerkörper (9) abseits vom Abgasstrom (6, 10) an der Gehäuseaußenwandung

(7) des Pulse-Converters (1) vorgesehen und deren Innenraum zum Abgasstrom (6, 10) hin durch Dichtelemente (11), z. B. berührungslose Labyrinthdichtungen, abgedichtet sind.

14. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerkörper (9) Anschlüsse (14) zur Zuführung von Sperrluft aufweisen.

15. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach

einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teilbereich der Gehäusewände (7) des Pulse-Converters (1) mit Aufnahmeräumen (8) für ein Kühlmedium versehen ist.

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16. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach
einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan (5) synchron zu den Arbeitsspielen der Hubkolbenbrennkraftmaschine von einem mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch arbeitenden Stellglied
betätigbar ist.