FOUR-STROKE INTERNAL-COMBUSTION ENGINE SUPERCHARGED BY AN EXHAUST GAS TURBOCHARGER ACCORDING TO THE RAM PRINCIPLE

Abstract: 1. Four-stroke internal combustion engine supercharged by an exhaust gas turbocharger according to the ram principle, the outlet passages of which, controlled by outlet valves, open into an exhaust manifold perpendicularly to their longitudinal axis or inclined with an inclination directed to the exhaust gas turbine, whereby at least the part of each outlet passage connected on the outside to the cylinder head is constructed to be enlarged as regards its cross section like a kind of diffusor, characterised in that each outlet passage (9) is extended into the exhaust manifold (12) so far that exhaust gas can enter the latter with low energy losses, and in that with regard to the size of its discharge cross-sectional surface presented at the outlet plane (14) on the inside of the exhaust manifold, each outlet passage (9) is determined by the following formula : see diagramm : EP0125407,P4,F1 wherein AAK2 = the discharge cross sectional surface presented at the outlet plane (14) of the outlet passage (9) on the inside of the exhaust manifold, Cm = mean piston speed during design speed, to be put in [m/s], AK = piston surface, corresponding to the cross-sectional surface of a cylinder bore (4) to be put in [m**2 ].

Description: Mittels Abgasturbolader nach dem Stauprinzip aufgeladene 4-Takt-Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine mittels Abgasturbolader nach dem Stauprinzip aufgeladene 4-Takt-Brennkraftmaschine, deren durch Auslassventile beherrschte Auslasskanäle in eine Abgassammelleitung einmünden. Bei einer derartigen Brennkraftmaschine ist es Aufgabe der Erfindung, Auslasskanäle zu schaffen, die, bezogen auf konstruktive Gegebenheiten und Arbeitsprozess Parameter der Maschine, die energetischen Verluste zwischen Zylinder und Abgassammelleitung während der Auslassperioden so niedrig als möglich zu halten und damit eine bestmögliche Ausnutzung der Abgasenergie in der Abgasturbine zu gewährleisten vermögen. Diese Aufgabe ist bei einer aufgeladenen 4-Takt-Brennkraftmaschine durch Auslasskanäle gelöst, die den im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gehorchen. Durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Auslasskanäle wird eine gleichmässige Abgasströmung in denselben erreicht. Ausserdem werden durch die erfindungsgemässe stetige Erweiterung der Auslasskanäle die bei bekannten Lösungen vorhandenen Drosselverluste vernachlässigbar klein. Die in den Abgasen enthaltene kinetische Energie wird durch die diffusorische Wirkung der Auslasskanäle nahezu vollständig in statischen Druck umgewandelt. Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der Zeichnung ist in relativ stark schematisierter Form und auch nur in jenem Teil, der für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist, eine mittels Abgasturbolader nach dem Stauprinzip aufgeladene 4-Takt-Brennkraftmaschine dargestellt. Die 4-Ta kt-Brennkraftmaschi ne ist insgesamt mit 1, der Abgasturbolader insgesamt mit 2 bezeichnet. Mit 3 ist ein Zylinder der Maschine, mit 4 dessen Zylinderbohrung und mit 5 ein in letzterer hin- und hergehender Hubkolben bezeichnet. Mit 6 ist ein den Zylinder 3 oben abschliessender Zylinderkopf und mit 7 ein auf letzterem sitzender Zylinderdeckel angezogen. Der Zylinderkopf 6 umfasst einen in der Zeichnung nur teilweise sichtbaren Einlasskanal 8 sowie hier zwei nicht dargestellte Einlassventile, ferner einen Auslasskanal 9, der hier durch zwei Auslassventile 10 beherrscht wird. Der Einlasskanal 8 ragt in eine in das Maschinengehäuse integrierte Ladeluftsammelleitung 11 hinein, die über einen nicht dargestellten Ladeluftkühler mit dem Verdichteraustritt des Abgasturboladers 2 verbunden ist. Der Auslasskanal 9 jedes Zylinders mündet in eine Abgassammelleitung 12, die sich längs und parallel der Zylinderreihe erstreckt sowie über einen Anschlusskanal 1 3 mit dem Turbineneinlass des Abgasturboladers 2 verbunden ist. Der Erfindung entsprechend ist zumindest der sich aussen am Zylinderkopf 6 anschliessende Teil jedes Auslasskanales 9 nach Art eines Diffusors sich querschnittsmässig erweiternd ausgebildet; ausserdem ragt jeder Auslasskanal 9 so weit in die Abgassammelleitung 12 hinein, dass Abgas energieverlustarm in letztere eintreten kann. Darüber hinaus ist jeder Auslasskanal 9 hinsichtlich der Grösse seiner an der abgassammelleitungsinternen Mündungsebene 14 gegebenen Austrittsquerschnittsfläche durch folgende Formel bestimmt: AK AK2 = cm . 22,5 # 30 In dieser Formel bedeuten: AK2 an der abgassammelleitungsinternen Mündungsebene 14 des Auslasskanales 9 gegebene Austrittsquerschnittsfläche, Cm = mittlere Kolbengeschwindigkeit bei Ausle gungsdrehzahl, einzusetzen in lS 3 AK = Kolbenfläche entsprechend der Querschnitts fläche einer Zylinderbohrung 4 einzusetzen in Dem erfindungsgemässen Ergebnis dieser Formel liegen folgende mathematischen Bedingungen zugrunde. Bei einer Brennkraftmaschine ergibt sich der sogenannte, auf das Hubvolumen eines Zylinders bezogene Zeitquerschnitt JVAK2 während einer Ausschubphase zwischen UT und OT des Kolbens 5 für die Berechnung der an der abgassammelleitungsinternen Mündungsebene 14 des Auslasskanales 9 gegebenen Austritts-Querschnittsebene wie folgt: Gleichung 1) JVAK2 = UT#OT AAK2 . d # 6 . n . VH Hieraus ergibt sich: Gleichung 2) AAK2 . 180 JVAK2 = 6 . n .VH Das Hubolumen VH für eine Ausschubperiode ergibt sich aus dem Produkt von Kolbenfläche AK (entsprechend der Querschnittsfläche einer Zylinderbohrung 4) und dem Hub, also H=AK.H Dies eingesetzt in die Gleichung 2 ergibt dann folgende Gleichung 3: Gleichung 3) JVAK2 . AAK2 180 H AK2 6 . n . AK - H Die mittlere Kolbengeschwindigkeit cm ergibt sich aus dem Produkt der Auslegungsdrehzahl n und dem Kolbenhub geteilt durch 30, also wie folgt: Gleichung 4) cm = n . H 30 Setzt man dann Gleichung 4) in Gleichung 3) ein, so ergibt sich folgende Gleichung 5: Gleichung 5) AAK2 JVAK2 AK Cm Rechnet man diesen bezogenen Zeitquerschnitt um auf die Geschwindigkeit des während einer Ausschubphase einen Auslasskanal 9 durchströmenden Abgases, dann ergibt sich folgende Gleichung 6: Gleichung 6) EMI5.1 <tb> <SEP> AK <SEP> [m] <tb> 1 <SEP> = <SEP> cm <SEP> . <SEP> <tb> JVAK2 <SEP> AAK <SEP> 2 <SEP> s <tb> Es wurde nun nach der Erfindung gefunden, dass ein Auslasskanal 9 mit den weiter vorn bereits angegebenen konstruktiven Merkmalen die aufgabengemäss gestellten Anforderungen dann erfüllt, wenn das Abgas diesen während einer Ausschubphase mit einer Geschwindigkeit von 22,5 bis 30 m/sec durchströmen kann. Diese erfindungsgemässe Bedingung, eingesetzt in Gleichung 6), ergibt dann folgende Gleichung 7: Gleichung 7) EMI5.2 <tb> <SEP> AK <SEP> m <tb> cm <SEP> . <SEP> AAK2 <SEP> = <SEP> <SEP> 22,5 <SEP> # <SEP> s <tb> Aufgrund dieser erfindungsgemässen Bedingung lässt sich durch entsprechende Umstellung der Gleichung 7) jeweils die optimale Austritts-Querschnittsfläche an der abgassammelleitungsinternen Mündungsbene 14 eines Auslasskanales 9 berechnen. Die Berechnung erfolgt somit anhand der auch im Patentanspruch so angegebenen Gleichung 8. Gleichung 8) AK AAK2 = cm . 22,5 # 30 Es bleibt abschliessend noch anzumerken, dass der sich aussen am Zylinderkopf 6 anschliessende Teil jedes Aus lasskanales 9 jede zweckmässige Querschnittsform aufweisen kann, d.h., die Querschnittsform kann rund, oval, quadratisch oder rechteckig oder ähnlich sein. Zweckmässigerweise mündet der sich aussen am Zylinderkopf 6 anschliessende Teil jedes Auslasskanales 9 senkrecht stehend zur Längsachse der Abgassammelleitung 12 in diese ein. Sofern es sich als vorteilhaft erweist, können die Auslasskanäle 9 jedoch auch schräg mit zur Abgasturbine hin gerichteter Neigung in die Abgassammelleitung 12 einmünden. Bezugszeichenliste 1 4-Takt Brennkraftmaschine 2 Abgasturbolader 3 Zylinder 4 Zylinderbohrung 5 Hubkolben 6 Zylinderkopf 7 Zylinderdeckel 8 Einlasskanal 9 Auslasskanal 10 Auslassventil 11 Ladeluftsammelleitung 1 2 Abgassammelleitung 13 Anschlusskanal 14 Mündungsebene

Claims: Patentanspruch: Mittels Abgasturbolader nach dem Stauprinzip aufgeladene 4-Takt-Brennkraftmaschine, deren durch Auslassventile beherrschte Auslasskanäle in eine Abgassammelleitung einmünden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der sich aussen am Zylinderkopf (6) anschliessende Teil jedes Auslasskanales (9) sich nach Art eines Diffusors querschnittsmässig erweiternd ausgebildet ist und in die Abgassammelleitung (12) hineinragt, so weit, dass Abgas energieverlustarm in letztere eintreten kann, und dass jeder Auslasskanal (9) hinsichtlich der Grösse seiner an der abgassammelleitungsinternen Mündungsebene (14) gegebenen Austrittsquerschnittsfläche durch folgende Formel bestimmt ist: AAK2 = Cm . AK 22,5 # 30 wobei AAK2 - an der abgassammelleitungsinternen Mün dungsebene (14) des Auslasskanales (9) gegebene Austrittsquerschnittsfläche, c = mittlere Kolbengeschwindigkeit bei Aus m legungsdrehzahl, einzusetzen in m5, AK = Kolbenfläche, entsprechend der Quer schnittsfläche einer Zylinderbohrung (4) einzusetzen in Lm2]

Inventors: MIKOTA, THOMAS
Applicants: M.A.N. - B&W DIESEL GMBH
Application year: 1984
Main classification: F02B37
IPC codes: F02B37, F02B75