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Vorrichtung zum Absaugen der Abgasreste bei Brennkraftmaschinen mit mehr als vier Zylindern.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Absaugen der Abgasreste bei Brennkraftmaschinen mit mehr als vier Zylindern und Auspuffsammelrohren, die für mehrere Zylinder gemeinsam sind und die Abgase an eine für mehrere Sammelrohre gemeinsame Absaugevorrichtung abgeben.
Es sind schon Auspuffschalldämpfer mit Ejektorwirkung für zwei-und vierzylindrige Brennkraftmaschine bekannt, durch die erzielt wird, dass der Gegendruck in den Zylindern verringert wird, so dass die Geschwindigkeit des Auspuffstromes zunimmt, wenn das Auspuffventil geöffnet wird, indem die Anordnung so getroffen ist, dass zwei Auspuffkammern so mit Gruppen der Zylinder verbunden sind, dass die druckverringernde Wirkung des Ejektors wechselweise und gegenseitig ausgeübt wird.
Diese bekannten Vorrichtungen sind aber mit dem Mangel behaftet, dass der Gegendruck am Schlusse der Auspuffperiode auf eine bedeutende Höhe steigt, so dass eine verhältnismässig grosse Menge Abgase beim Schliessen des Auspuffventils im Zylinder zurückgehalten wird, was eine Verringerung der während des darauffolgenden Saughubes angesaugten Frischluftmenge und hiemit eine Verringerung der Leistung der Maschine zur Folge hat.
Einen ähnlichen Nachteil findet man bei den bekannten Brennkraftmaschinen, die mit mehr als vier Zylindern versehen sind und für mehrere Zylinder gemeinsame Auspuffsammelrohre besitzen.
Bei diesen Maschinen ist es schwer vermeidlich, dass ein verhältnismässig grosser Rest an Abgasen am Ende der Auspuffperiode bzw. des Auspuffhubs im Zylinder zurückbleibt. Die Ursache hiezu ist, dass wenn einer der Zylinder eben am Schlmse seiner Auspuffperiode ist, ein anderer Zylinder eben seine angefangen hat. Da am Anfang der Auspuffperiode eine bedeutende Drucksteigerung in den Auspuffsammelrohren der Machine entsteht, so bewirkt diese Drucksteigerung, dass der Gegendruck gegen den Auspuff aus dem Zylinder, dessen Auspuffperiode eben seinem Schlusse nahe ist, vergrössert wird, so dass ein Gasrest mit einem verhältnismässig hohen Druck in diesem Zylinder zurückbleibt, wenn das Auspuffventil des Zylinders geschlossen wird.
Die Erfindung bezweckt, den erwähnten vergrösserten Überdruck in den Auspuffsammelrohren von Maschinen mit mehr als vier Zylindern zu entfernen. Die Erfindung hilft indessen nicht nur dem genannten Mangel ab, sondern verwertet ausserdem unmittelbar die in der Auspuffleitung entstehende Drucksteigerung, die jedesmal am Beginn der Auspuffperiode in einem Zylinder eintritt, um einen Unterdruck zu erzeugen, der in jenem Zylinder oder jenen Zylindern auftritt, in denen die Auspuffperiode sich ihrem Ende nähert.
Hiedurch erzielt man den Vorteil, dass der Druck der am Sehlusse der Auspuffperiode im Zylinder zurückbleibenden Abgase herabgesetzt wird, so dass der Zylinder durch die Frisehluftoffnungen mit einer grösseren Menge Frischluft gefüllt werden kann, wodurch die Leistung der Maschine vergrössert wird, da er dann eine grössere Ölmenge als sonst verbrennen kann.
Die Erfindung, die, wie angegeben, die Anwendung mehrerer Sammelrohre voraussetzt, die für mehrere Zylinder gemeinsam sind und die Abgase an eine für mehrere Sammelrohre gemeinsame Saugvorrichtung abgeben, besteht hauptsächlich darin, dass die Zündfolge, Kurbelanordnung und dementsprechend die Gruppierung der Zylinder mit Bezug auf die Sammelrohre so gewählt sind, dass die von den Abgasen aus einem zu einem Sammelrohr gehörenden Zylinder erzeugten Druckwellen in einem andern, zu einem andern Sammelrohr gehörenden Zylinder während des letzten Teiles der Auspuff-
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periode dieses Zylinders, welche Auspuffperiode die des erstgenannten Zylinders übergreift, einen Unterdruck durch Ejektorwirkung od. dgl. in der gemeinsamen Absaugevorrichtung erzeugen.
Gewöhnlich wird die Maschine in einer solchen Weise gebaut, dass die erzielte Saugwirkung unter den Zylindern gegenseitig ausgeübt wird, indem die Zylinder so den einzelnen Auspuffsammelrohren zugeordnet werden, dass ein Auspuff in einem beliebigen Zylinder eine Saugwirkung in einem andern oder mehreren andern Zylindern der Maschine erzeugt und umgekehrt.
Die Maschine wird mit getrennten Auspuffsammelrohren oder mit in getrennten Abteilungen ausgeführten Auspuffsammelrohren versehen, und die Zylinder werden in einer solchen Weise zu den einzelnen Abteilungen des Auspuffsammelrohres gruppiert, dass die Auspuffperioden für an verschiedene Auspuffsammelrohre oder Abteilungen des Sammelrohres auspuffende Zylinder einander derart übergreifen, dass die durch ein Sammelrohr oder eine Abteilung des Auspuffsammelrohres abgehende Druckwelle mittels einer ejektor-oder venturiartig wirkenden Vorrichtung eine Saugwirkung in den andern Sammelrohren oder Abteilungen des Auspuffsammelrohres erzeugt. Die Auspuffperioden der in dasselbe Auspuffsammelrohr auspuffenden Zylinder dürfen einander dagegen nicht oder jedenfalls nur in geringem Grade übergreifen.
Man erzielt hiedurch, dass der Druck in den Zylindern am Schlusse einer Auspuffperiode niedrig wird und sogar unter den äusseren Luftdruck sinken kann.
Ist die Maschine eine Viertaktmaschine, so kann in der folgenden Ansaugperiode eine grössere Menge frischer Luft eingesaugt werden ; ist die Maschine eine Zweitaktmaschine, so wird derselbe Vorteil in der Spülperiode erreicht, so dass der Zylinder eine grössere Arbeitsmenge leisten kann.
Aus der die gegenseitige Saugwirkung unter den Zylindern bewirkenden ejektor-oder venturiartigen Vorrichtung können die Abgase als ein verhältnismässig gleichmässiger Strom durch eine einzelne Auspuffleitung abgeleitet werden, welche Leitung entweder unmittelbar an die Aussenluft oder in an sich bekannter Weise an einen Schalldämpfer, eine Auspuffturbine oder einen Auspuffkessel führen kann.
Eine in die Auspuffleitung eingeschältete Auspuffturbine kann in bekannter Weise einen Luftverdichter treiben, durch den die Ladung der Maschine vorverdichtet wird, so dass die Wirkung der gesamten Vorrichtung dadurch noch erhöht wird. Die Maschine kann also auch mit Auspuffsammelrohren gebaut werden, von denen die Abgase an mehrere Absaugevorrichtungen od. dgl. abgegeben werden, deren Auspuffleitungen zu voneinander getrennten Einrichtungen, wie Schalldämpfer, Turbinen usw., führen.
Die Gruppierung der in dasselbe Sammelrohr oder dieselbe Abteilung des Auspuffrohres auspuffenden Zylinder ist durch die gegenseitige Versetzung der Kurbelkröpfungen und die zu einem gewissen Grade sich hieraus ergebende Zündfolge bestimmt, welche letztere zweckmässig so gewählt wird, dass sowohl eine gute Ausbalanzierung der Maschine als auch ein Mindestmass der Drehschwingungen in der Kurbelwelle erreicht werden.
In der Zeichnung ist die Erfindung in einigen Ausführungsbeispielen dargestellt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen Indikatordiagramme, die den Druckverlauf in einem Zylinder ohne und mit gegenseitiger Saugwirkung unter den Zylindern darstellen, die Fig. 3 und 4 die Kurbelwelle einer sechszylindrigen Maschine in Seiten- und Endansicht, Fig. 5 zeigt einen schematischen Grundriss dieser Maschine, Fig. 6 eine andere Ausführungsform der Anordnung der Auspuffsammelrohre an einer sechszylindrigen Maschine und die Fig. 7-9 zeigen eine achtzylindrige Maschine in ähnlichen Darstellungen wie die Fig. 3-5.
Das in Fig. 1 dargestellte Indikatordiagramm gehört zu einem Zylinder einer Viertaktmaschine mit sechs Zylindern, die auf gewöhnliche Weise in ein für sämtliche Zylinder gemeinsames Auspuffsammelrohr auspuff. In dem mit grossem Druckmassstab gezeichneten Diagramm ist nur ein Teil des gesamten Indikatordiagramms angegeben, indem nur Drücke unter 1 Atm. verzeichnet sind, wogegen alle Drücke über 1 Atm. nicht dargestellt sind. Die Anwesenheit solcher hoher Drücke im Zylinder ist jedoch durch die waagrechte Linie 1, 2, 3 vermerkt. Das Auspuffventil öffnet im Punkt 2, also ein wenig vor dem Totpunkt ; der Druck im Zylinder, der zu diesem Zeitpunkt in einer Maschine mit gewöhnlicher Belastung etwa 3 Atm. beträgt, lässt sehr stark nach, während der Kolben von 2 über 3 nach 4 geht.
Das Diagramm zeigt die Kurve 3-4 als eine beinahe senkrechte Druckgefällskurve, die dem Anfang des Auspuffhubes entspricht. Die Kurve 4-5-6 gibt das Druckgefälle im Zylinder während des folgenden Teiles des Auspuffhubes an, und es ist ersichtlich, dass der Druck sich während der ersten zwei Drittel des Hubes, was der Kurve 4-5 entspricht, einigermassen eben hält, wogegen der Druck nach dem Punkt 5 während des letzten Drittels, was der Kurve 5-6 entspricht, ansteigt, worauf im allerletzten Teile der Auspuffperiode wieder ein Druckabfall eintritt, weil der Gegendruck im Auspuffrohr wieder fällt und der Kolben eine abnehmende Geschwindigkeit hat. Der durch die Strecke 5-6 des Diagramms vertretene vergrösserte Gegendruck rührt vom Auspuff in einem andern Zylinder her.
Die Kurve 6-7 des Diagramms entspricht der Ansaugeperiode, die in gewöhnlicher Weise verläuft. Die Kurve 7-8 entspricht dem Beginn der Verdichtung. Die in Fig. 1 durch die Kurvenstrecke 5-6 vermerkte Drucksteigerung ist es gerade, die den bei Maschinen mit vielen Zylindern und Auspuffsammelrohren, wobei ein Übergreifen zwischen einzelnen Zylindern in der Auspuffperiode stattfindet, allgemein auftretenden Nachteil kennzeichnet. Sie entsteht dadurch, dass zu der Zeit, in der der betrachtete Zylinder am Schlusse seiner Auspuffperiode ist, ein anderer Zylinder sich am Beginn seiner Auspuffperiode befindet.
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Fig. 2 ist ein Diagramm, das einem Zylinder einer sechszylindrigen Viertaktbrennkraftmaschine entspricht, die erfindungsgemäss mit gegenseitiger Saugwirkung unter den Zylindern gebaut ist. Im Diagramm sind dieselben Bezeichnungen wie in Fig. 1 benutzt, und der Druckverlauf nach der Kurve 3, 4, 5 entspricht der Abbildung nach Fig. 1. Der Unterschied zeigt sich in der Kurve 5-6, die stark fallend ist, weil dieselbe Druckwelle, die im Diagramm nach Fig. 1 eine Drucksteigerung am Schlusse der Auspuffperiode bewirkte, nun wegen der gegenseitigen Saugwirkung unter den Zylindern einen Unterdruck bewirkt, so dass der Druck am Schlusse der Auspuffperiode, wie aus Fig. 2 ersichtlich, unter den Ansaugedruck gesunken ist.
Hiedurch kommt die Ansaugelinie am Anfang des folgenden Ansaugehubs höher als die Auspufflinie zu liegen, wodurch am Punkt 6 eine Schleife zwischen den Kurven entsteht.
In der sechszylindrigen Maschine nach den Fig. 3-5 sind die Zylinder und zugehörigen Kurbelkröpfungen mit den Nummern 1-6 bezeichnet. Ist die gegenseitige Lage der Kurbelkröpfungen wie in Fig. 4 dargestellt und die Zündfolge der Zylinder 1, 3, 5, 6, 4, 2, so wird eine gute Ausbalanzierung und ein Mindestmass von Drehschwingungen erreicht. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, hat die Maschine zwei
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Auspuffsammelrohr b zugeordnet. Die gewählte Zündfolge und Kurbelanordnung sowie die dementsprechend Gruppierung der Zylinder zu den beiden Auspuffsammelrohren a, b bewirken, dass die an dasselbe Sammelrohr gehenden Auspüffe einander nicht übergreifen, wogegen aber die Auspüffe aus den beiden Rohren a, b einander gegenseitig übergreifen.
Jedes der beiden Rohre a, b hat ein besonderes Auspuffrohr c bzw. d. Diese Auspuffrohre c, d münden in einen gemeinsamen trichterförmigen Raum, der die Einschnürung oder Kehle f des Ejektors enthält und innen mit einer Wand z versehen ist, die die beiden Luftströme bis kurz vor dem kleinsten Querschnitt der Kehle t getrennt hält. Das venturiartig gebaute Kehlrohr f erweitert sich trichterförmig nach der Auspuffleitung g zu und ist mit dieser durch Flanschen verbunden. Die Auspuffleitung g kann entweder unmittelbar zur Aussenluft führen, oder es kann in diese Leitung ein Schalldämpfer, eine Auspuffturbine oder ein Auspuffkessel eingeschaltet sein.
Die Vorrichtung wirkt wie folgt :
Die mit hohem Druck und grosser Geschwindigkeit ausgestossenen Auspuffgase der Zylinder 4, 5, 1 blasen stossweise über das Rohr d durch die Kehle t des Ejektors und erzeugen bei jedem Stoss einen Unterdruck im andern Rohr c, das zum Auspuffsammelrohr a der Zylinder 2,3, 6 führt, in denen im betrachteten Augenblick ein Auspuffhub stattfindet, der sich seinem Ende nähert. Die Saugwirkungen im Ejektor rufen durch das Rohr c und das Sammelrohr a einen Unterdruck in den Zylindern 2, 3, 6 während des letzten Teiles ihres Auspuffhubs hervor, so dass eine verbesserte Füllung dieser Zylinder mit frischer Luft in der folgenden Ansaugeperiode erzielt wird.
Auf dieselbeweise erzeugen die aufeinander folgenden Auspuffstösse im Rohre c eine Reihe von Saugwirkungen im Rohre d, die in entsprechender Weise einen Unterdruck in den Zylindern 1, 4, 5 während des letzten Teiles ihres Auspuffhubes bewirken, so dass durch diese gegenseitige Wirkung eine verbesserte Füllung mit frischer Luft in sämtlichen Zylindern bei den folgenden Ansaugehüben erreicht wild.
Fig. 6 zeigt eine abgeänderte Anordnung der Auspuffsammrlrohre einer sechszylindrigen Maschine, deren Kurbelanordnung der in Fig. 3 und 4 dargestellten entspricht. Die Sammelrohre bestehen in dieser Ausführungsform aus einem äusseren zylindrischen Sammelrohr r und einem konzentriseh darin angeordneten Sammelrohr s. Die Zylinder 1, 4, 5 blasen in das innere Rohr s, die Zylinder 2,3, 6 in das äussere Rohr r aus. An den Enden der Sammelrohre r und s ist eine Ejektorvorrichtung befestigt, die aus einem äusseren trichterförmigen Rohr t. zu dem die Abgase vom Sammelrohr r strömen, und einem zweiten trichterförmigen Rohr, zu dem die Abgase vom inneren Sammelrohr s strömen, besteht.
Das äussere Rohr t geht sanft in die Kehle v der Ejektorvorriehtung über, und nach der Kehle v wächst sein Durchmesser, bis er der gleiche wie der Durchmesser des Auspuffrohres y ist. In der Kehle v findet abwechselnd Ausströmung aus den trichterförmigen Rohren t und u statt. Die durch das trichterförmige Rohr t abströmenden Abgase bewirken eine Saugung im Inneren des trichterförmigen Rohres u und umgekehrt.
In den Fig. 7-9, die eine achtzylindrige Maschine darstellen, sind die Zylinder und die zugeordneten Kurbelkröpfungen mit den Nummern 1-8 bezeichnet. Die gegenseitige Lage der Kurbeln ist die in
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sind. Die Zylinder 3, 4,5, 6 sind an das in der Mitte liegende Auspuffsammelrohr h angeschlossen, die Zylinder 1 und 2 an das Sammelrohr k, die Zylinder 7 und 8 an das Sammelrohr i. Da die Auspuffhübe der Zylinder 1, 2,7, 8 nicht übergreifen, könnten die Rohre i und k ebensogut ein einzelnes Rohr sein.
Von den Auspuffsammelrohren k, h, i führen getrennte Auspuffrohre m, n, l zu einem Ejektor q. Die Auspuffrohre sind mit kegelförmigen Auspuffmündungen versehen, von denen die Auspuffgase in den Trichter o des Ejektors ausgeblasen werden. Vom Trichter o werden die Abgase durch die gemeinsame Auspuffleitung p abgeleitet. Die einzelnen Auspüffe durch die Rohre m, M, l erzeugen Unterdrücke im
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