DE4414132A1 - Turbocharger with increased air flow into in engine - Google Patents

Turbocharger with increased air flow into in engine

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Abstract

Each connection to the ancillary cylinders within the cylinder head, or via the exhaust manifold, is interrupted by a direct line from the valve to the turbine. The attained energy yield is used to increase the air vol. in the combustion chamber by increased charge for reducing the NOx emission. The piston power, induced during the expansion stroke, is adjusted below that permitted by the supplied air vol.to obtain the required, reduced NOx values. The exhaust manifold cross-section may be smaller than the valve through flow surface, with the cross-sectional widening only at the turbine gas inlet.

Description

Die Entwicklung von mehr Energie im Abgas hat mit dem duothermischen D.I.-Brennverfahren im Motor einen hohen Stand erreicht. Gleichgültig, ob mit Benzin, Diesel oder Pflanzenöl gefahren wird, entfällt bei diesem Verfahren wärmeleitendes Aluminium im Brennraum ebenso wie Wasserman­ tel und Kühlrippen. Die dadurch entstehende höhere Wärme in der Arbeitsluft kommt etwa zur Hälfte dem Abgas zugute, wo eine bessere Nutzung erforderlich ist.The development of more energy in the exhaust gas has with the duothermal D.I. Status reached. No matter whether with petrol, diesel or Vegetable oil is not used in this process heat-conducting aluminum in the combustion chamber as well as Wasserman tel and cooling fins. The resulting higher heat in About half of the working air benefits the exhaust gas, where better use is needed.

Um diesen thermodynamischen Gewinn nicht an verlustreiche Anbaugeräte wie Rußfilter, Katalysatoren und deren Heizanla­ gen wieder verlorengehen zu lassen, wird vorgeschlagen, die gesteigerte Abgasenergie für bessere Abgasemissionen zu mobilisieren. Will man den Katalysator sparen, werden alle Schademissionen reduziert, wenn mehr Luft in den Zylinder kommt, als zur Verbrennung gebraucht wird.In order not to lose this thermodynamic gain Attachments such as soot filters, catalysts and their heating system to be lost again, it is proposed that increased exhaust gas energy for better exhaust emissions mobilize. If you want to save the catalyst, everyone will Crush emissions are reduced when more air is in the cylinder comes when is needed for combustion.

Anstelle von Abgasrückführung in die Brennraumluft, bringt auch jedes Mehr an Frischluftmasse über den Bedarf an Sauer­ stoff hinaus eine Absenkung der Brenntemperatur im Verhält­ nis der zu erwärmenden Masse eine kleinere Maximaltempera­ tur und weniger NOx. Ein erhöhter Luftüberschuß bringt außerdem den Vorteil einer wesentlichen Absenkung von CO, CH und anderer Emissionen, so daß Rußfilter und Katalysato­ ren überflüssig sind; dies besonders im unteren Drehzahl­ bereich, wo bisher Luftmangel herrschte, ganz abgesehen davon, daß bei dieser Lösung der Emissionsprobleme auch Ver­ brauch und CO₂ gesenkt werden und weniger Drehzahl für die gleiche Leistung nötig wird (Motorgeräusch).Instead of exhaust gas recirculation into the combustion chamber air also every increase in fresh air mass over the need for acid a reduction in the firing temperature in the ratio a smaller maximum temperature depending on the mass to be heated tur and less NOx. An increased excess of air brings also the advantage of a significant reduction in CO, CH and other emissions, so that soot filter and catalytic converter ren are superfluous; this is particularly the case in the lower speed not to mention the area where there was previously a lack of air of the fact that with this solution of the emission problems also Ver consumption and CO₂ are reduced and less speed for the same power is required (engine noise).

Nachdem also die Optimierung der thermodynamischen Vorgänge im Zylinder einen gewissen Abschluß erreicht hat, muß also nur die Nutzung der vergrößerten Abgasenergie so verbessert werden, daß trotz Emissionsvorschriften auch der thermodyna­ mische Wirkungsgrad in der Abgasnutzung so verbessert wird, daß damit sogar die mechanischen Verluste in der Kolbenarbeit ausgeglichen werden. Die effektive Leistung des Motors wird gleich oder größer als die induzierte Kol­ benleistung.So after optimizing the thermodynamic processes has reached a certain degree in the cylinder, must  only the use of the increased exhaust gas energy so improved be that, despite emission regulations, the thermodyna mixing efficiency in exhaust gas use improved will that even the mechanical losses in the Piston work can be compensated. The effective performance of the engine becomes equal to or greater than the induced Kol performance.

Über den Erhalt der Wärmeenergie im Abgas und die optimierte Energienutzung im Abgas werden auch Schadstoffe wie Blei oder Benzol im Benzin nicht mehr gebraucht, weil reines Benzin dann im Selbstzünder mit den geschilderten Fort­ schritten mit wesentlich besserem Wirkungsgrad und ganz ohne nachgeschaltete Geräte am umweltfreundlichsten ver­ brannt wird.About the preservation of the thermal energy in the exhaust gas and the optimized Energy use in the exhaust gas will also pollutants such as lead or benzene in gasoline is no longer needed because it is pure Gasoline then in the diesel with the Fort described steps with much better efficiency and completely most environmentally friendly without downstream equipment is burned.

Die bisherigen Energieverluste in der vorgeschalteten Tur­ boaufladung durch eine Abgasturbine begannen bisher schon im Zylinderkopf damit, daß die Abgase zwar im Ventildurch­ gang auf die hohe Geschwindigkeit gebracht wurden, wie sie in der Turbine gebraucht wird, durch die Irrwege des Abga­ ses, das erst alle Nebenkanäle und den Abgassammler auffül­ len mußte, bevor es zur Turbine kam, entstanden große Ener­ gieverluste sowohl thermisch wie dynamisch. Erst mit der Restenergie wurde in der Turbinenspirale wieder die nötige Gasgeschwindigkeit zum Turbinenantrieb erzeugt. Eine Nutzung der Sogwirkung beschleunigter Gassäulen im Auslaßrohr, wie sie für größere Motoren mit konstanter Drehzahl von Bedeu­ tung ist, kann auch erst mit einer nicht unterbrochenen Strömung vom Ventil bis zur Turbine erfolgen.The previous energy losses in the upstream door Bo charging by an exhaust gas turbine has already started in the cylinder head so that the exhaust gases pass through the valve were brought to the high speed as they were is used in the turbine through the wrong paths of the Abga This first fills all the secondary ducts and the exhaust manifold Before the turbine came into being, large energies had to be built casting losses both thermally and dynamically. Only with the Residual energy became necessary again in the turbine spiral Gas velocity generated for the turbine drive. One use the suction effect of accelerated gas columns in the outlet pipe, such as for larger engines with constant speed from Bedeu can only be started with an uninterrupted one Flow from the valve to the turbine.

Mit der Steigerung der Abgasenergie über höhere Ladedrücke wird auch die Entwicklung der Luftlagerung des Turbolaufes als weitere Verbesserung der Turbinenleistung vorangetrie­ ben. With the increase in exhaust gas energy via higher boost pressures will also develop the air bearing of the turbo barrel as a further improvement in turbine performance ben.  

Fig. 1 zeigt die neue Abgaszuführung zur Turbine eines D.I. Selbstzünders. Fig. 1 shows the new exhaust gas supply to the turbine of a DI diesel.

Der Flansch 1 mit dem Einlauf- und Dichtungsteil 2 ist auf kürzestem Weg an die Auslaßöffnung 3 des Ventiles heran­ gebracht. Eine Verbindung zwischen den Zylindern 4, 5, 6 im oder außerhalb des Zylinderkopfes 7 ist nicht vorgesehen.The flange 1 with the inlet and sealing part 2 is brought up to the outlet opening 3 of the valve by the shortest route. A connection between the cylinders 4 , 5 , 6 in or outside the cylinder head 7 is not provided.

Der Querschnitt der Auslaßöffnung 3 ergibt sich aus dem Ventilsitzdurchmesser 8 abzüglich des Ventilschaftquer­ schnitts 9 im Bereich des Ventilsitzes. Diese Querschnitts­ fläche wird in den folgenden Auslaßrohren 10, 11, 12 nicht überschritten. In der Bündelungsstelle 13 wird je nach Art des praktischen Einsatzes mit verschiedenen Düsenausführun­ gen 14, 15 ein Unterdruck in den Nebenrohren erzeugt und da das Gas mit erhöhter Geschwindigkeit dem Turbinenrad 16 zu­ geführt. Über die Welle 17 erfolgt in der herkömmlichen Weise der Antrieb des Luftverdichters und die Zufuhr der Luft zu den Zylindern 4, 5 und 6. Diese Luftzufuhr ist nicht Gegenstand der Anmeldung.The cross section of the outlet opening 3 results from the valve seat diameter 8 minus the valve stem cross section 9 in the region of the valve seat. This cross-sectional area is not exceeded in the following outlet pipes 10 , 11 , 12 . In the bundling point 13 , depending on the type of practical use with various nozzle designs 14 , 15, a negative pressure is generated in the secondary tubes and since the gas is fed to the turbine wheel 16 at increased speed. The shaft 17 drives the air compressor and supplies the air to the cylinders 4 , 5 and 6 in the conventional manner. This air supply is not part of the registration.

In Fig. 2 ist das gleiche System dargestellt, jedoch sind hier die einzelnen Auslaßrohre 18, 19, 20 am Umfang des Tur­ binenrades 21 angeordnet.In Fig. 2 the same system is shown, but here the individual outlet pipes 18 , 19 , 20 are arranged on the circumference of the turbine wheel 21 .

Die letzte Gasbeschleunigung erfolgt hier im Teil 22. Dessen Ausführung richtet sich nach der Anzahl der Zylinder und dem Durchmesser des Turbinenrades 16.The last gas acceleration takes place here in part 22 . Its design depends on the number of cylinders and the diameter of the turbine wheel 16 .

Claims (11)

1. Turbolader für erhöhten Luftüberschuß im Motor, dadurch gekennzeichnet, daß die im Auslaßventil durchlaufende thermische und dynamische Energie bis zum Eintritt in die Turbinenschaufel dadurch erhalten bleibt, daß jede Verbindung zu den Nebenzylindern innerhalb des Zylinder­ kopfes oder über Auspuffsammler durch eine direkte Lei­ tung vom Ventil zur Turbine unterbrochen ist und der erzielte Energiegewinn zwecks Reduzierung von NOx zur Er­ höhung der Luftmasse im Brennraum durch mehr Aufladung genützt wird.1. Turbocharger for increased air excess in the engine, characterized in that the thermal and dynamic energy passing through the exhaust valve is maintained until entry into the turbine blade in that each connection to the secondary cylinders within the cylinder head or via exhaust manifolds by a direct line from Valve to the turbine is interrupted and the energy gained is used to reduce NOx to increase the air mass in the combustion chamber by increasing the charge. 2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Expansionshub induzierte Kolbenleistung um soviel kleiner als es die zugeführte Luftmasse erlaubt, einge­ stellt wird, wie nötig ist, um die geforderten NOx-Werte zu erreichen.2. Turbocharger according to claim 1, characterized in that the piston power induced in the expansion stroke by so much smaller than allowed by the supplied air mass is, as is necessary, the required NOx values to reach. 3. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Abgasrohres kleiner als die Ventildurchgangsfläche ist und eine Querschnittserweiterung nur am Einlauf des Gases in die Turbine (Lavaldüseneffekt) erfolgt.3. Turbocharger according to one or more of the above sayings, characterized in that the cross section of the Exhaust pipe is smaller than the valve passage area and a cross-sectional expansion only at the inlet of the Gases into the turbine (Laval nozzle effect). 4. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß lange Wege von Aus­ laßventil bis zur Turbine genutzt werden, um mit der be­ wegten Gassäule am Ende des Abgasstoßes eine Sogwelle zu erzeugen, die heiße Restgase aus dem Zylinder absaugt und über ein vorzeitig geöffnetes Einlaßventil diese mit hohem Ladedruck gelieferte Frischluft in die Abgasleitung übergeführt wird. 4. Turbocharger according to one or more of the aforementioned sayings, characterized in that long distances from Aus let valve up to the turbine to be used with the be gas column moved towards the end of the exhaust gas surge generate that sucks hot residual gases from the cylinder and with a prematurely opened inlet valve Fresh air delivered to the exhaust pipe under high boost pressure is transferred.   5. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitungen der einzelnen Zylinder gebündelt in eine Turbinenspirale eingeführt werden.5. Turbocharger according to one or more of the aforementioned Claims, characterized in that the exhaust pipes of the individual cylinders bundled in a turbine spiral be introduced. 6. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Abgasleitung eines Zylinders einen eigenen Zugang zum Turbinenrad erhält.6. turbocharger according to one or more of the aforementioned An sayings, characterized in that each exhaust pipe of a cylinder has its own access to the turbine wheel receives. 7. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufdüsen und Spiralen der einzelnen Zylinder selbst bei 12 Zylin­ dern auf einem einzigen Turbinenradumfang angeordnet werden.7. turbocharger according to one or more of the aforementioned sayings, characterized in that the inlet nozzles and spirals of the individual cylinders even at 12 cylin arranged on a single turbine wheel circumference become. 8. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaufquer­ schnitt in das Laufrad die gleiche oder kleinere Fläche ergibt wie der Ventildurchgang im Zylinder.8. turbocharger according to one or more of the aforementioned An sayings, characterized in that the inlet cross cut the same or smaller area into the impeller results like the valve passage in the cylinder. 9. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Auslaßrohr bis zur Turbine dieser Querschnitt nach Anspruch 8 eingehal­ ten wird.9. turbocharger according to one or more of the aforementioned sayings, characterized in that in the outlet pipe to to the turbine this cross section according to claim 8 will. 10. Turbolader nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte hohe Gasdruck zu einer Luftlagerung der Turbine genutzt wird.10. Turbocharger according to claim 1 and 2, characterized in that the high gas pressure generated for air storage of the Turbine is used. 11. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der hohe Ladedruck im duothermischen Brennverfahren zur Trennung des hohen Überschußluftanteils von der zentralen Brennzone infolge der Schwerkraftgesetze im rotierenden Massehaufen genutzt wird, um NO-Bindungen durch die Aufteilung in eine zen­ trale Brennzone ohne Sauerstoffüberschuß und eine zwischen Brennzone und Brennraumwand rotierende Über­ schußluftmasse ohne Brenntemperatur geschieht.11. Turbocharger according to one or more of the above sayings, characterized in that the high boost pressure in the duothermal combustion process to separate the high Excess air share from the central combustion zone as a result the laws of gravity used in the rotating mass pile  is to break NO bonds by dividing it into a zen central combustion zone without excess oxygen and one rotating over between combustion zone and combustion chamber wall Shot air mass happens without firing temperature.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006004725A1 (en) * 2006-02-02 2007-08-09 Bayerische Motoren Werke Ag Exhaust manifold for series-six cylinder-diesel internal combustion engine, has pipes provided for each cylinder, where exhaust gas mass flow from three cylinders is separated from gas flow from other cylinders by flow guiding ribs
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