Verbrennungskraftmaschine Das Abgasleitungssystem einer Verbrennungs- kraftmaschine kann ganz allgemein in drei Teile unterteilt werden, von denen der erste Teil zum Zylindergehäuse gehört und sich vom Zylinderraum bis zur Auslassöffnung des Zylindergehäuses erstreckt.
Der zweite Teil besteht aus einer Verbindungsleitung, die von der genannten öffnung bis zum dritten Teil reicht, welcher nachstehend als Abgasabführungsrohr bezeichnet wird und bei einer mehrzylindrigen Ma schine als für alle Zylinder oder mindestens eine Gruppe von Zylindern gemeinsames Abgassammel- rohr ausgebildet sein kann, oder als Auspufftopf bzw. Schalldämpfer.
Im ersten Teil des Leitungssystems strömen die aus dem Auslassventil oder aus durch den Kolben gesteuerten Schlitzen im Zylindermantel kommenden Abgase unter starker Wirbelbildung. Dadurch entsteht ein erhöhter Strömungswiderstand für den Spülpro zess des Zylinders. Es ist daher erwünscht, durch ge eignete Gestaltung der genannten Abgaswege zwi schen dem Zylinder und dem Abgasabführungsrohr die Wirbelung möglichst klein zu halten.
Es muss daher dafür gesorgt werden, dass die Wirbelung, deren Bildung im ersten Teil des Abgasweges nicht verhindert werden kann, auf eine möglichst kurze Anfangsstrecke des Gesamtweges beschränkt und die noch verbleibende kinetische Energie der Abgase als dann möglichst weitgehend ausgenützt wird, um den Spülprozess zu verbessern:
Die vorliegende Erfindung erreicht dies dadurch, dass die den mittleren Teil bildende Verbindungslei tung zwischen dem Abgasauslassteil eines jeden Zy linders und dem Abgasabführungsrohr derart gestal tet ist, dass alle Richtungsänderungen der Abgase in dieser Leitung auf dem Anfangsteil der Leitung be schränkt sind, und dass die Verbindungsleitung nach dem Anfangsteil eine Einschnürung und in dem hieran anschliessenden, sich bis ans Ende der Ver bindungsleitung erstreckenden Teil einen kontinuier lich zunehmenden Durchflussquerschnitt und eine mindestens angenähert geradlinige Längsachse auf weist.
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes in Seitenansicht teilweise im senkrechten Mittellängsschnitt durch einen Zylinder.
Die dargestellte Zweitaktverbrennungskraftma- schine kann, abgesehen von den nachstehend erläu terten konstruktiven Merkmalen, von beliebiger Bau art sein, insbesondere eine beliebige Anzahl von Zylindern haben. In dem dargestellten Zylinder 1 läuft in üblicher Weise der Kolben 2. Dieser steuert die Spüllufteinlassschlitze 3 in der Zylinderwandung.
Die Abgase verlassen den Zylinder durch eine ent sprechende Öffnung im Zylinderkopf, welche durch ein Ventil 4 verschlossen ist, dessen Schaft in einem den Ventilsitz bildenden, in den Zylinderkopf ein gesetzten Abgasauslassteil 6 vertikal verschiebbar ge führt ist und durch ein oberhalb des Teiles 6 an geordnetes Steuerorgan in üblicher Weise geöffnet und geschlossen wird.
Der Teil 6 ist mit einem den ersten Teil des Gesamtabgasweges bildenden, ge krümmten Kanal 5 versehen, in welchem die Abgase um etwa 90 aus der vertikalen in die waagrechte Richtung umgelenkt werden, wobei jedoch zu berück sichtigen ist, dass im Kanal 5 die Abgase sich in ausserordentlich turbulentem Zustande befinden, der durch den unstetig verlaufenden Übergang vom Zy- linder in den Kanal 5 und durch den Widerstand des Ventiltellers und Schaftes sowie die Führungskon struktion des Schaftes bedingt ist.
An die Auslassöffnung des Teiles 6 schliesst sich eine Verbindungsleitung an, die durch die beiden Teile 7, 8 gebildet ist, welche dem mittleren Abgas wegteil entsprechen. Der Teil 7 besteht aus einem gekrümmten Verbindungsstück, wogegen der Teil 8 die Form einer Diffusordüse aufweist. Letztere mün det in ein Sammelrohr 9 von wesentlich grösserem Durchlassquerschnitt, welches für eine Anzahl von Zylindern der Maschine gemeinsam ist und neben dem Maschinengestell längs der Zylinder verlau fend angeordnet und befestigt ist.
An das Sammel- rohr 9 ist mittels eines Rohrstutzens 10 eine Abgas turbine 11 angeschlossen, die einen nicht dargestell ten Kompressor antreibt, der gleichachsig zur Tur bine angeordnet und unmittelbar mittels der Tur binenwelle angetrieben ist. Der Kompressor liefert mindestens einen Teil der Spülluft, welche mittels einer Rohrleitung 12 einem Verteilerraum 13 zu- P <B>a</B> führt wird. Dieser erstreckt sich über die ganze Länge des Motors und ist durch Öffnungen 14, die durch selbsttätige Ventile gesteuert sind, mit einem die Zylinder umgebenden Raum 15 verbunden.
Von diesem führen die vom Kolben 2 gesteuerten Spül lufteinlasskanäle 3 in die einzelnen Zylinder.
Der Gesamtweg, welchen die Abgase vom dar gestellten Zylinder 1 bis zum Abgassammelrohr 9 durchfliessen, ist durch die schematische, in der Zeichnung mit strichpunktierten Linien dargestellte Strömungsmittelachse 16-17 veranschaulicht. Wie bereits erwähnt, ist die Strömung im ersten durch den Kanal 5 gegebenen Wegteil sehr turbulent. Es handelt sich daher darum, in den anschliessenden weiteren Wegteilen, welche nicht durch besondere Bauteile wie der Ventilschaft und die Ventilführung behindert sind, eine möglichst wirbellose Strömung zu erzielen. Hierbei ist davon auszugehen, dass die Lage des Sammelrohres 9 durch die innerhalb der Maschine zur Verfügung stehenden Raumverhältnisse mehr oder weniger bedingt ist.
Dadurch ist auch im grossen und ganzen die Richtungsänderung gegeben, welche anschliessend an die Auslassmündung des Ka nals 5 bis zum Eintritt in den Sammler 9 erfolgen muss. Es ist nun wichtig, diese Richtungsänderung der Abgase, welche durch die Platzverhältnisse mehr oder weniger gegeben ist, im mittleren Wegteil der Abgasströmung durchzuführen, das heisst also im gekrümmten Teil 7 der Verbindungsleitung zwischen dem Abgasauslassteil 6 und dem Abgassammlerrohr 9, und zwar beschränkt auf den Anfangsteil des Krüm mers 7 auf einem Bogen, der in der Zeichnung mit 18 bezeichnet ist.
Nach erfolgter Umlenkung der Abgase auf diesem Bogenstück 18 sollen die Gase geradlinig zum Sammelrohr 9 strömen, um jede wei tere Einwirkung auf die Strömung, welche zu einer weiteren Turbulenz führen könnte, zu vermeiden. Um eine günstige Richtung der Gasströmung und ein Eindämmen der Turbulenz der Abgase zu bewirken, ist die Verbindungsleitung hinter dem Krümmerstück 7 mit einer Einschnürung 19 versehen.
In dem hier anschliessenden, sich bis ans Ende der Verbindungs leitung erstreckenden Teil 8 weist die Verbindungs leitung einen kontinuierlich zunehmenden Durchfluss- querschnitt auf bei mindestens angenähert geradlini- ger Längsachse. Durch die Einschnürung 19 wird die Strömungs geschwindigkeit der Abgase vorübergehend erhöht, wodurch ein gewisses Richten der Gase bewirkt wird, die sich mindestens in der Grenzschicht längs der Wandung des Leitungsteils 18 im Bereich der Ein schnürung 19 auswirkt.
Durch diese Einschnürung 19 wird praktisch keine wesentliche Erhöhung des Durchflusswiderstandes der Abgase im Leitungsteil 8 herbeigeführt, weil durch den erwähnten richtenden Effekt der Einschnürung auf die Gasströmung das Gas an und für sich einen kleineren Durchflussquer- schnitt benötigt, als dies bei der vorherigen ungeord neten Strömung der Gase unter den gleichen Verhält nissen der Fall gewesen wäre, wenn keine Einschnü- rung stattgefunden hätte.
Vorausgesetzt ist natürlich, dass es sich bei der Einschnürung 19 nur um eine verhältnismässig kleine Konstruktion handelt, die in folge der dadurch bewirkten allgemeinen Verbesse rung der Strömungscharakteristik der Gase praktisch keinen Nachteil hinsichtlich des Strömungswiderstan des herbeiführt.
Ganz allgemein ist natürlich bei der Beförderung der Abgase vom Zylinder 1 in das Sammelrohr 9 auf dem durch die Strömungsmittellinie 16-17 gegebe nen Gesamtweg bei den vorbestimmten, in der Zeit einheit durchfliessenden Gasmengen ein gewisser Mindestdruckabfall in der ganzen Verbindungslei tung nicht zu vermeiden. Da nun die Länge des Zeit intervalls für die Spülungsperiode des Zylinders und der Durchlassquerschnitt des Kanals 5 durch die Bau art des Motors mehr oder weniger gegeben ist, haben die Abgase mit Rücksicht auf das ebenfalls vor bestimmte Volumen der Abgase eine verhältnismässig grosse Geschwindigkeit, gemessen in der Austrittsöff nung aus dem Kanal 5, während des gesamten Aus lassvorganges.
Erst ausserhalb des Teiles 6 ergeben sich Möglichkeiten, die Verbindungsleitung zum Sammler 9 derart zu gestalten, dass eine Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit und daher des Aus flussverlustes an der Mündung in den Sammler 9 herbeigeführt wird. Durch die Anordnung des dif- fusorartig geformten Leitungsteiles 8 lässt sich nun ein Teil der kinetischen Energie der Auslassgase zu rückgewinnen während des Zeitintervalls, in wel chem die Abgase durch diesen Leitungsteil strömen.
Der den kontinuierlich zunehmenden Durchschnitts querschnitt aufweisende Leitungsteil ist zweckmässig als Hohlkegelmantel mit einem Kegelwinkel von 6 bis 10 ausgebildet und so lange bemessen, dass sein Durchflussquerschnitt an der Einmündungsstelle in das Sammelrohr 9 um mehr als 100% grösser ist als der Durchflussquerschnitt der Verbindungsleitung un mittelbar vor der Einschnürung 19.
Die Verbin dungsleitung mündet ferner zweckmässig möglichst tangential in das Sammelrohr 9, wobei es wesentlich ist, dass ihr Mündungsdurchmesser erheblich kleiner ist als der Innendurchmesser des Sammelrohres 9. Es bildet sich dann an der Mündungsstelle im Sam- melrohr eine gyklonströmung aus, welche den Aus lass der Abgase aus dem Sammelrohr 9 in den Rohr- stutzen 10 fördert, da die Gase unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft in den Rohrstutzen 10 gedrückt werden.
Um den richtenden Effekt der Einschnürung 19 auf die Abgasströmung in der Verbindungsleitung zu verstärken, ist der unmittelbar vor der Einschnürung 19 befindliche Teil 20, der sich im Zwischenstück 7 befindet, geradlinig gestaltet, wobei seine Längsachse mit derjenigen des anschliessenden restlichen Lei tungsteils zusammenfällt.
Der Druckabfall in der genannten Verbindungs leitung zwischen dem Zylinder 1 und dem Sammel rohr 9 ist ein Mass für den Energieverlust beim Spül vorgang. Daher lässt sich durch Verminderung dieses Druckabfalles vermöge der Diffusorwirkung des Lei tungsteils 8 eine Verbesserung des Spülwirkungsgra des erreichen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass einerseits eine kleinere Kompressorleistung genügt, um den Gesamtdruckabfall auszugleichen und ander seits der durch die Verminderung des Druckabfalles erzielte höhere Abgasdruck im Sammelrohr 9 eine entsprechende Leistungserhöhung der Abgasturbine bewirkt.
Daraus ergibt sich eine entsprechend er höhte Druckluftförderleistung der Turbine, welche zu einer Verbesserung der Zylinderaufladung führt.
Was vorstehend für die beschriebene Zweitakt- verbrennungskraftmaschine gesagt worden ist, gilt natürlich auch sinngemäss für eine Viertaktmaschine. Es kommt auch nicht auf die Anzahl der Auslassven- tile an, vielmehr kann auch jeder Zylinder mehrere Auslassventile aufweisen. Anderseits kann die Ver- brennungskraftmaschine auch anstelle von Auslass- ventilen vom Kolben gesteuerte Auslasskanäle im Zy lindermantel aufweisen.
Es kommt ferner nicht auf die Anzahl der Zylinder an, da die dargelegten Ver hältnisse die Verbindungsleitung zwischen dem Zylin der und dem Sammelrohr betreffen und also auch Geltung haben für eine Einzylindermaschine, wobei das Abgassammelrohr dann ein einfaches Abgas- abführungsrohr ist.
Besondere Vorteile ergeben sich jedoch, wie vor stehend auseinandergesetzt worden ist, bei solchen Verbrennungskraftmaschinen, bei denen an das Ab- gasabführungsrohr eine Abgasturbine angeschlossen ist, die einen Kompressor zur Verdichtung minde stens eines Teils der zur Zylinderspülung benötigten Luft antreibt. Jedoch ist auch bei gewöhnlichen Verbrennungskraftmaschinen die Verringerung des Druckabfalles in der Abgasauslassleitung während der Spülperiode von erheblicher Bedeutung.