DE3343429C2

DE3343429C2 - Pulse-Converter für eine mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3343429C2
Application number: DE3343429A
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: 1986-09-25
Also published as: DE3343429A1

Abstract

Es wird eine mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturbolader und einem der Abgasturbine des Abgasturboladers vorgeschalteten Pulse-Converter (1), der zwei unter einem spitzen Winkel zueinander in einen Abgasmischraum (2) des Pulse-Converters (1) mündende Zweigleitungen (3a, 3b) zur Kopplung an Abgasleitungsstränge der Hubkolbenbrennkraftmaschine aufweist, vorgeschlagen, der zur Vermeidung von rücklaufenden Druckwellen und der dadurch bedingten behinderten Spülung von Zylindern mit einem Steuerorgan (5) zur Veränderung der Mündungsquerschnitte der Zweigleitungen (3a, 3b) des Pulse-Converters (1) versehen ist.

Description

die volle Leistungsausnutzung der Brennkraftmaschine möglich. Der Abgasstrom des jeweils ausschiebenden Zylinders kann durch die freigegebene Zweigleitung ohne Drosseiwirkung am MündungsquerschniU in den Abgasmischraum einströmen, so daß ein sehr guter Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Die drehbare Klappe ist konstruktiv einfach und v/ird — ohne fremde Betätigung — durch den jeweils ausströmenden Abgasstrom bewegt. Des weiteren können durch die Klappe mit einfachen und somit kostengünstigen Maßnahmen für den jeweiligen speziellen Anwendungsfall jeweils optimale freizugebende bzw. abzusperrende Mündungsquerschnitte dargestellt werden.

Aus der DE-A 20 56 000 ist eine Brennkraftmaschine mit einem besonderen Abgasleitungssystem bekannt, bei der die Abgasleitungen mit Düsen und Gasströmu:igssteuervorrichtungen mit dazugehörigen Steuersystemen versehen sind. Diese Düsen urd Gasströmungssteuervorrichtungen dienen dazu, das Austreiben der Abgase aus den Verbrennungsräumen der Brennkraftmaschine zu unterstützen. Die in dieser Druckschrift vorgeschlagene Klappe dient also ausschließlich dazu, innerhalb des Abgaskanals einen konvergierenden und einen divergierenden Düsenkanalabschnitt darzustellen, um aufgrund der sich dort einstellenden unterschiedlichen kinetischen Energieanteile verschiedene statische Druckverhältnisse im Abgasstrom zu erhalten.

Dieser Druckschrift kann nur der Hinweis entnommen werden, zwecks Verbesserung der Spülphase der Brennkraftmaschine im Mündungsbereich der Abgasstränge zur Auspuffsammelleitung eine drehbare Klappe derart vorzusehen, daß in beiden Abgassträngen jeweils eine sogenannte dynamische Düse vorhanden ist. Anregungen, die auf die besondere Problematik bei Pulse-Convertern im Hinblick auf die Gefahr von rückströmenden Druckwellen und der hierdurch bedingten Störung der Spülphase der am Pulse-Converter zusammengeschlossenen Zylinder werden nicht gegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Pulse-Converters ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Pulse-Converters sind unter Angabe weiterer Vorteile anhand der schematischen Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen sind nur die zum unmittelbaren Verständnis der Erfindung dargestellten Ausschnitte des Pulse-Converters dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in einer Querschnittsdarstellung;

F i g. 2 einen Längsschnitt entsprechend der Linie H-II des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1;

F i g. 3 ein alternatives AusführungsbeispieS in einer schematischen Querschnittsdarstellung;

Fig.4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, ebenfalls in einer schematischen Querschnittsdarstellung.

In den Zeichnungen sind 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 Zb münden. Im einzelnen nicht näher dargestellt sollen die Zweigleitungen 3a und 3b an Abgasleitungssträngen von jeweils zwei Zylindern einer Zylinderreihe der Hubkolbenbrennkraftmaschine gekoppelt sein, z. B. bei einer 8-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 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 betätigt, so daß beim Durchströmen der Zweigleitung 3a diese freigegeben wird, wohingegen im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die nicht durchströmte Zweigleitung 36 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 F i g. 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 F i g. 2 verdeutlicht das in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung, insbesondere die erfindungsgemäße Lagerung der Klappe 5. Wie ersichtlich, sind die Gehäusewände 7 im Drehbereich der Klappe 5 planparallel ausgebildet. Die Klappe 5 ist in schmierrnittelfreien Lagerkörpern abseits vom Abgasstrom 6 bzw. 10 an der Gehäuseaußenwandung 7 des Pulse-Converters 1 vorgesehen und durch berührungslose Labyinthdichtungen 11 gegen übermäßiges Eindringen von Abgas geschützt. Die Lagerkörper 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 F i g. 1 bis 4 unterscheiden sich 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 F i g. I 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 F i g. 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 Ffrei.

Durch die im wesentlichen keilförmige Gestaltung der Steuerklappe 5 nach Fig.4 kann hingegen in der gleichen Mitteliage der Klappe 5, die auch hier wieder- 5 um bei Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine beibehalten werden soll, ca. 85% der Zweigleitungsquerschnittsfläche F freigegeben werden. Erst bei höheren Belastungszuständen der Brennkraftmaschine wird dann die Klappe 5 um die Drehachse 4 zur Vergröße- 10 rung des Mündungsquerschnittes der durchströmten Zweigleitung 3a bewegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

· 15

Claims

Patentansprüche:

1. Pulse-Converter zur Beaufschlagung einer Abgasturbine mit Abgasenergie von mehreren Zylindem einer aufgeladenen Hubkolbenbrennkraftmaschine, der zumindest zwei, vorzugsweise unter einem spitzen Winkel zueinander in einem Abgasmischraum (2) mündende Zweigleitungen (3a, 3b) zur Kopplung der Abgasleitungsstränge aufweist, wobei im Mündungsbereich der Zweigleitungen (3a, 3b) eine gemeinsame Trennwand (Zunge) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Trennwand zumindest in einem Teilbereich als drehbare Klappe (5) ausgebildet ist, mittels der der Mündungsquerschnitt der Zweigleitungen (3a, 3b)des Pulse-Converters (1) veränderbar ist

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

3. Pulse-Converter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (5) sich um ihre Drehachse (4) im Gleichgewicht befindet und daß mittels der jeweils aus den Zweigleitungen (3a, 3 b) ausströmenden Abgasströme (6, 10) die Klappe (5) zur Veränderung der Mündungsquerschnitte betätigt wird.

4. Pulse-Converter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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.

5. Pulse-Converter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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 (7^ aufweisen.

6. Pulse-Converter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (5) einen im wesentlichen rechteckförmigen oder keilförmigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweist.

7. Pulse-Converter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (5) synchron zu den Arbeitsmaschinen der zugeordneten Hubkolbenbrennkraftmaschine von einem mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch arbeitenden Stellglied betätigbar ist.

8. Pulse-Converter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (5) in schmiermittelfreien Lagerkörpern (9) mit axial angestellten Kegelbuchsen radial und axial gelagert ist.

9. Pulse-Converter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerkörper (9) abseits vom Abgasstrom (6, 10) an der Gehäuseaußenwand des Pulse-Converters (1) vorgesehen und deren Innenraum zum Abgasstrom (6, 10) hin durch Dichtelemente (11), z.B. berührungslose Labyrinthdichtungen, abgedichtet sind.

10. Pulse-Converter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerkörper (9) Anschlüsse (14) zur Zuführung von Sperrluft aufweisen.

65 Die Erfindung bezieht sich auf einen Puls-Converter zur Beaufschlagung einer Abgasturbine mit Abgasenergie von mehreren Zylindern einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Brennkraftmaschinen mii 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 bestimmten Zündabstand von mindestens 240° Kurbelwellenwinkel zusammengefaßt werden sollten, damit die Abgasdruckwelle des ausschiebenden Zylinders die Spülung des an der gleichen Leitung liegenden Zylinders nicht stört.

Bei bestimmten meiirzylindrigen Hubkolbenbrennkaftmaschinen, so z. B. bei 8- und 16-Zylinderbrennkraftmaschinen, läßt sich die Stoßaufladung in dieser Form und unter der Voraussetzung, mit einem zweiflutigen Turbinengehäuse auszukommen, aufgrund der Einhaltung des minimalen Zündwinkelabstandes im wesentlichen, dann einhalten, wenn diese mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Pulse-Converter ausgerüstet ist.

Aus den BBC-Mitteilungen, Bd. 55, Nr-8, Seiten 414 bis 416 ist ein Pulse-Converter bekannt, der vorzugsweise unter einem spitzen Winkel zueinander in einem Abgasmischraum mündende Zweigleitungen zur Kopplung der Abgasleitungsstränge aufweist, wobei im Mündungsbereich der Zweigleitungen eine gemeinsame Trennwand (Zunge) vorgesehen ist. Große Mündungsquerschnitte am Ende der festen Mittelwand ergeben erhebliche Verbesserungen des Kraftstoffverbrauches, wobei jedoch dann der Nachteil von rücklaufenden Druckwellen, die bei bestimmten Drehzahlen die Spülphase einzelner Zylinder stören, in Kauf genommen werden muß.

Um die Rückspülung von Abgasen 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Pulse-Converter mit einfachen baulichen Mitteln derart auszugestalten, daß einerseits die Gefahr von rücklaufenden Druckwellen wirksam verringert ist aber andererseits dennoch ein möglichst geringer Kraftstoffverbrauch der zugeordneten Brennkraftmaschine erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die gemeinsame Trennwand zumindest in einem Teilbereich als drehbare Klappe ausgebildet ist, mittels der der Mündungsquerschnitt der Zweigleitungen des Pulse-Converters veränderbar ist.

Mittels der Klappe kann die nicht vom Abgas durchströmte Zweigleitung in ihrem Mündungsquerschnitt verkleinert bzw. mehr oder weniger abgesperrt werden bei gleichzeitiger öffnung bzw. Vergrößerung des Mündungs- bzw. Abgasaustrittsquerschnittes der durchströmten Zweigleitung des Pulse-Converters. Somit ist