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Auspuffvorriehtung, insbesondere für Brennkraftmaschinen.
Der Abzug der Verbrennungsgase bei Brennkraftmaschinen wird im allgemeinen in den Auspuffleitungen durch die Reibung an den Wandungen und durch besondere Hindernisse, z. B. Krümmer oder angestaute, ruhende Gase, gehemmt. Im ersten Falle bewirkt deshalb die mehr oder weniger rauhe Wandung eine Wirbelbildung in dem an ihr entlang strömenden Gas und hemmt dessen Fortbewegung in der unmittelbaren Nähe der Wandung. Da der innere Teil des Gasstromes mit grosser
Geschwindigkeit weiterströmt, so kommt es zu Störungen in der Strömung, die einen Teil der lebendigen Kraft des Gases aufzehren. Im zweiten Falle wird bei Auftreffen des Gases auf ein Hindernis, z.
B. auf einen Krümmer, ein Teil der lebendigen Kraft aufgezehrt, wodurch an dieser Stelle eine Drucksteigerung bewirkt sowie die Strömungsgeschwindigkeit herabgesetzt und der Abzug der Gase gestört wird. Ähnlich verhält es sich beim Auftreffen des Gases auf ein ruhendes Gas in der Leitung.
Das Leistungsdiagramm für eine Viertakt-Verpuffungsmasehine (s. Fig. 1) zeigt, dass während der Entspannungsperiode die Leistungskurve infolge der Voreröffnung des Auspuffes zwischen den Abszissen a und b vor Erreichung des unteren Totpunktes sehr rasch sinkt. Der nutzbare Kolbenhub ist somit praktisch nicht der Zylinderlänge gleich, da entlang der Strecke a-b die Antriebskraft des Kolbens erheblich herabgesetzt ist. Wenn daher zwischen der Voreröffnung des Auspuffes und dem unteren Totpunkt die Austrittsgeschwindigkeit der Gase herabgesetzt werden würde, so würde die Leistung der Maschine gesteigert werden, sofern nur die Abzugsgeschwindigkeit der Auspuffgase gleich bei Überschreiten des unteren Totpunktes beträchtlich erhöht wird.
Hiebei entsteht zufolge dieses raschen Abzuges der Gase über dem Kolben ein teilweiser Unterdruck, wodurch der Kolben bei seinem aufsteigenden Hube B bis zum oberen Totpunkt entlastet wird.
Zur Verbesserung der Motorleistung soll damit die Arbeitsperiode des Kolbens verlängert werden, wobei ein erheblicher Unterdruck geschaffen wird, der durch Saugwirkung während der Periode B wirkt. Die Verlängerung der Arbeitsperiode kann durch eine geeignete Ausbildung der Auspuffvorrichtung bzw. durch eine bestimmte Regelung des Auspufforgans erzielt werden. Die Schaffung eines erheblichen Unterdruekes im Zylinder über dem Kolben während der Periode B hängt hingegen ausschliesslich von einer passenden Ausbildung der Auspuffvorrichtung ab, die derart zu treffen ist, dass die Auspuffgase in vollkommener Weise und ohne Stoss und Gegendruck ausgeschoben werden.
In Fig. 1 ist die Vergrösserung der Motorleistung, die durch die Druckerhöhung zwischen a und b und durch die Druckherabsetzung zwischen bund c erzielt wird, durch die schraffierten Flächen veranschaulicht.
Die Erfindung hat eine Auspuffvorriehtung, insbesondere für Brennkraftmaschinen, zum Gegenstand, die eine vollkommene Entleerung der Zylinder und ein Ausschieben der Gase in die Auspuffkanäle ohne Stoss sichert. Die Erfindung geht dabei von folgendem aus : a) Die Auspuffgase führen, wie Versuche gezeigt haben, in der an das Auspuffventil (bzw. an den Auspuffsehlitz) anschliessenden Auspuffkammer und Auspuffleitung eine rotierende Bewegung aus, die teils von der Wirbelbewegung im Motorzylinder herrührt und teils beim Strömen durch das Auspuffventil entsteht.
Es zeigt sich ferner, dass in zur Leitungsachse senkrechten Ebenen, die vom Motor verschiedene Abstände aufweisen, die Geschwindigkeitsverteilung der Gasteilchen verschieden
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ist und dass in einem Kanal von kreisförmigem Querschnitt die mit grosser Geschwindigkeit strömenden Gasschichten, wenn die Gasteile eine Drehung um wenigstens 90 um die Leitungsachse ausgeführt haben, sich abplatten, bevor sie sich neuerlich über den gesamten Leitungsquerschnitt ausbreiten.
b) Es hat sich ferner ergeben, dass man eine vollkommene Entleerung der Auspuffgase aus der Auspuffleitung ohne Stoss und ohne Verluste durch Reibung und ruhende Gase erhält, wenn man die Gasschichte an der Stelle, wo sie mit grosser Geschwindigkeit in abgeplattetem Zustand und unter Drehung um die Leitungsachse strömt, in ein entsprechend abgeplattetes Rohr einschliesst und in diesem eingeschlossenen Zustand bis zur Atmosphärenluft oder zu einer Unterdruckvorrichtung weiterleitet, in der sich die Gasschichten entspannen und dadurch einen starken Unterdruck erzeugen, der die umgebende Luft und gegebenenfalls auch das in der Auspuffleitung befindliche Gas ansaugt.
e) Im Falle von Mehrzylindermaschinen ist es vorteilhaft, die vorstehend erwähnten Unterdrücke derart auszunutzen, dass sie von einem Zylinder auf den andern wirken, derart nämlich, dass die zur Entleerung eines Zylinders erzeugten Unterdrücke im passenden Augenblick auf den Nachbarzylinder zum selben Zweck einwirken.
Die gemäss der Erfindung ausgebildete AuspuffvolTichtung ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet : a) Die am Austritt der Auspuffventile bzw.-schlitze angeschlossene Auspuffleitung ist, entsprechend der Drehung und Abplattung des sich mit grosser Geschwindigkeit vorbewegenden Teiles des Gasstromes, um sich selbst verwunden und abgeplattet, so dass das Gas unter den günstigsten Verhältnissen ohne Hemmung und Stoss strömen kann. b) Ein trichterförmiger Sammler, in den die vorgenannten Auspuffleitungen-vorzugsweise gegeneinander versetzt. - münden, ist an der Mündungsstelle dieser Leitung mit Flügeln versehen, in denen eine Reihe von düsenartigen Kanälen angeordnet ist.
Die durch diese Kanäle ziehenden Gase entspannen sich auf den Rückenflächen dieser Flügel, so dass an diesen Flächen Zonen starken Unterdruckes entstehen, welche die umgebende Luft ansaugen, wie dies im Patent Nr. 149137 beschrieben ist. Dieser Unterdruck übt ferner auf die Auspuffgase eine Saugwirkung aus, die das Abziehen der Gase unterstützt.
Auf der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Fig. 1 zeigt ein Leistungsdiagramm einer Verpuffungsmaschine, die Fig. 2-6 zeigen Querschnitte durch eine zylindrische gerade Auspuffleitung, u. zw. der Reihe nach in den Abständen 55,115, 175,205 und 265 mm von der Anschlussstelle am Motor entfernt. In diesen Querschnitten sind die von den Gasschichten gleicher Geschwindigkeit, gleichen Druckes und gleicher Temperatur gebildeten Zonen dargestellt. Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen schematisch die Erzeugung eines Unterdruckes am Austritt eines engen Spaltes, dessen eine Wand verlängert ist, sowie die Rückwirkung des Unterdruckes am Austritt'des Auspuffspaltes auf das Ausschieben der Gase durch den Nachbarspalt.
Ferner zeigen : Fig. 9 ein Auspuffrohrstück, das die Gase in den Sammler leitet, Fig. 10 einen Sternflugmotor, der mit erfindungsgemässen und an einem Sammler angeschlossenen Auspuffrohren versehen ist, Fig. 11 die Hälfte eines Längsschnittes durch den Sammler, in welchen die Auspuffleitungen einmünden, Fig. 12 im vergrösserten Massstab einen Längsschnitt durch einen der Flügel des Sammlers, Fig. 13 ein an einem Sternmotor eingebautes kreisförmiges Sammlerelement im teilweisen Schnitt und Fig. 14 eine abgeänderte Ausführungsform.
Aus den Fig. 2-6 ist ersichtlich, dass die schraffierte Zone C, die in der Leitung D von Gas hoher Geschwindigkeit und hohen Druckes durchströmt wird, sich von Fig. 2-4 um die Achse 0 um etwa 1400 verdreht, wobei sie sich bis auf einige Zentimeter ausbreitet und abplattet, worauf sie sich, wie Fig. 6 zeigt, in dem Masse, als sie sich dem Rohrende nähert, deformiert. Wenn eine vollkommene Entleerung ohne Geschwindigkeitsverlust und mit einem geringstmöglichen Widerstand erreicht werden soll, muss die Gasschichte von hoher Geschwindigkeit, hohem Druck und hoher Temperatur dort erfasst werden, wo sie am meisten konzentriert ist, um sie sodann in diesem Zustand bis zum schliesslichen Austritt zu erhalten.
Dementsprechend sind gemäss der Erfindung die Auspuffleitungen um ihre Längsachse derart verwunden, dass sie der Drehbewegung des Gases folgen, sowie an der Stelle abgeplattet, wo die Gasschichten in ihrem Teil von hohem Druck und hoher Geschwindigkeit, d. h. in den schraffierten Zonen C, eine abgeplattete Form zeigen.
Wie im Patent Nr. 149137 beschrieben ist, entspannt sich ein unter hohem Druck befindliches Gas, das durch einen engen Spalt F (Fig. 7) mit grosser Geschwindigkeit in die freie Luft austritt, entlang der nach aussen gekrümmten Verlängerung einer der Spaltwände, wobei entlang dieses Flügels zufolge des Umstandes, dass das Gas sich entspannt und sein Anfangsvolumen erheblich überschreitet, eine (schraffiert angedeutete) Zone starken Unterdruckes erzeugt wird, in die die Aussenluft gemäss dem Pfeil Y hineinströmt. Lässt man nun gemäss Fig. 8 mehrere Gasschichten durch benachbarte enge, gegeneinander ein wenig versetzte Spalte nach Art der Fig. 7 austreten, so kann man durch die Erzeugung von Unterdruckzonen am Austritt einer jeden Gasschiehte den von der vorangehenden Schichte erzeugten Unterdruck erhöhen usf.
Die einerseits an Hand der Fig. 2-6, anderseits an Hand der Fig. 7 und 8 erläuterten Vorgänge finden nun folgende beispielsweise praktische Anwendung :
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Gemäss Fig. 9 sitzt am Auspuffflansch 1 des Motors ein zylindrisches Rohr 2, das bei 3 abgeplattet und einige Zentimeter weiter bei 4 verwunden ist, um sich sodann in einem geradlinigen Teil 5 fortzusetzen. Die Stellen, an denen die zylindrische Auspuffleitung abgeplattet und um ihre Achse verwunden ist, bestimmen sich in Abhängigkeit von der Auspuffgesehwindigkeit der aus dem Verbrennungsraum austretenden Gase und durch die Form des Ventils oder des eine mehr oder weniger drehende Bewegung erzeugenden Schlitzes.
Fig. 10 zeigt eine Reihe abgeplatteter Rohrteile von der Art nach Fig. 9, die auf die einzelnen Auspuffflanschen 1 a, 1 b, 1 c... eines Motors 6 mit mehreren sternförmig angeordneten Zylindern 7 a, 7 b, 7 c... aufgesetzt sind. Jedes abgeplattete Rohr 5 ist durch Flanschen 8 mit einem flachen, bei 10 gebogenen und im Sammler 11 mündenden Rohr 9 verbunden.
Der Sammler (Fig. 11) besteht aus einem Gussstück mit einer Reihe von flachen Kanälen 12 (a, b, c), die an die flachen Rohre 9 (Fig. 10) anschliessen. Auf dem Wege dieser Kanäle 12 sind Flügel 13
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wie Fig. 12 zeigt, mit übereinanderliegenden düsenförmigen, geneigten Kanälen 14 versehen, die solche Form haben, dass die zwischen diesen Kanälen liegenden Stege 15 selbst kleine stromlinienförmige Flügel darstellen. Die Kanäle 14 der Flügel 13 sind in Fig. 11 der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Die Stege 15 haben ziemlich dicke Vorderränder 16.
Der Zweck der Flügel 13 sei an Hand des in Fig. 12 dargestellten Flügels 13 c beschrieben.
Das Gas tritt an der geraden Vorderseite 22 des Flügels 13 c in die Kanäle 14 ein und durchströmt dieselben, wobei es sich entspannt, so dass in den Kanälen 14, u. zw. beiderseits der Flächen 25,26 der Stege 15, Unterdruckzonen geschaffen werden, die durch die schraffierten Flächen angedeutet sind. Diese Unterdruckzonen reichen ein wenig über die hinteren Enden 16'der Stege 15 hinaus, so dass ferner eine Unterdruckzone 23 entlang der gekrümmten Rückseite 22'des Flügels 13 c gebildet wird. Hiebei entsprechen die Kanäle 14 dem Spalt F der Fig. 7 und, wie z. B. am Steg 15 n gezeigt ist, entspricht der zwischen der Achse X-X und dem hinteren Ende 16'gelegene Teil 26'der Fläche 26 der Verlängerung Fi der einen Spaltwandung.
Da die Unterdruckzonen über die hinteren Enden 16' der Stege 15 hinausreichen, wirkt die Unterdruckzone eines Kanals 14 auf den nächsten, oberhalb liegenden Kanal zurück und die von den einzelnen Kanälen 14 erzeugten Unterdrücke addieren sich und bewirken eine kräftige Ansaugung des Gases durch die Kanäle 14 hindurch. Diese an Hand des Flügels 13 c beschriebene Wirkungsweise tritt bei sämtlichen andern Flügeln 13 in gleicher Weise auf.
Die Kanäle 12 ades Sammler ! J 11 werden einerseits durch die Wandung 17 des Sammlers und anderseits durch einen Teil 18 gebildet, der bei 19 hohl ist und in eine leicht gekrümmte Zunge 20 endigt. Diese bildet einerseits eine Ablenkfläche für die zwischen Flügel 13 b und Wand 33 streichenden Gase und anderseits eine Führung für die aus dem Kanal 12 a austretenden Gase, um diese teilweise auf die Rückenfläche des Flügels 13 a zu leiten.
Die durch den Kanal 12 a eintretenden Gase werden durch die Kanäle des Flügels 13 a zufolge des auf seiner Rückseite 22 a erzeugten Unterdruckes angesaugt. Ein Teil dieser Gase, der über 21 auf die Rückseite 22 a gelangt, wird durch den hier bestehenden Unterdruck unmittelbar angesaugt.
Ferner besteht in der Zone Z zwischen den Flügeln 13 bund 18 c gleichfalls ein Unterdruck, der die
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den zwischen den Flügeln 13 a und 13'a bestehenden Unterdruck unterstützt. Die Ablenkzunge 20 hindert die Gase, sich infolge etwaiger Wirbelbildungen nach hinten zuriickzustauen und so die Austrittsstelle der Kanäle 12 b zu verlegen. An seinem hinteren Ende läuft der Sammler in eine Leitung aus, die an einen Schalldämpfer angeschlossen sein kann, der vorteilhaft gemäss dem Patent Nr. 149138 ausgebildet ist.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 13 besteht der Sammler aus einem flachen ringförmigen Rohr 34, in dessen Stutzen 35 die flachen Rohre 5 einmünden. Hinter jedem Eintrittsstutzen 35 liegt ein Flügel 36, der ähnlich den Flügeln 18 in den Fig. 11 und 12 ausgebildet ist. Längs der Flügel 36 entsteht somit eine Zone 37 mit hohem Unterdruck, der das Bestreben hat, die Gase aus dem Stutzen 35 in der Richtung des Pfeiles F anzusaugen. Der Auspuff der Gase an die Luft kann über Schalldämpfer 38 erfolgen, die vorzugsweise gemäss dem Patent Nr. 149138 ausgebildet sind.
Gemäss Fig. 14 besitzt der Sammler 39 profilierte Scheidewände in Form von Flügeln a, a', a"... und b, b', b"..., die derart gerichtet sind, dass Gase, die durch die engen Kanäle zwischen diesen Flügeln streichen, in gleicher Weise wie nach Fig. 12 wirken und an den Rückenflächen eines jeden Flügels Unterdrücke erzeugen, die gegenseitig aufeinander einwirken. Die von den Flügeln b erzeugten Unterdrücke wirken ihrerseits auf die umgebende Luft in der Nähe der Flügel a ein. Die Flügel liegen in Erweiterungen der in den Sammler mündenden Flachkanäle A, B.
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