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Auspuffvorrichtung für Brennkraftmaschinen'
Die Erfindung bezieht sich auf eine Auspuffvorrichtung für Brennkraftmaschinen, die im Abschnitt zwischen dem Motor und dem akustischen Dämpfer angeordnet ist und aus einem zylindrischen Rohrstück und daran anschliessenden, den Vorgang des Ladungswechsels und somit auch die Geschwindigkeitscharak- teristik des Motors entscheidend beeinflussenden Kammern besteht.
Die bisherigen Auspuffvorrichtungen verdanken ihr Entstehen, soferne sie nicht unter Anwendung einer rein experimentellen Methode geschaffen wurden, einer durch Schalldämpfungstheorien begründeten Lösung. Infolgedessen können bei diesen Bauarten die dynamischen Wirkungen der Gasströmung zur Erhöhung der Motorleistung nicht optimal ausgenützt werden. Bei jedem neuen Motortyp sind sodann eine Reihe von kostspieligen Prüfungen erforderlich, die keineswegs unbedingt zu den besten Resultaten führen mous- sen.
Eine bekanntgewordene Auspuffvorrichtung besitzt ein sich konisch erweiterndes Gehäuse, in das sich ein am Ende abgeschlossenes Rohr erstreckt. Die Innenräume des Rohres und des Gehäuses kommunizieren über schlitzförmige Öffnungen im Rohrmantel in Nähe seiner Verbindungsstelle mit dem Gehäusekonus.
An das erweiterte Ende des Gehäuses schliesst ein sich verjüngender Rohrstutzen und an diesen das Auslassrohr an. An der Verbindungsstelle dieser beiden Teile sitzt ein Armstern zur Halterung des Rohrendes.
Bei einem andern bekannten Schalldämpfer ist an ein zylindrisches Rohr ein sich erweiternder Stutzen, an diesen ein zylindrisches Rohr, dessen Länge die des Stutzens übertrifft, an das Rohrende ein konvergenter und an diesen ein divergenter Stutzen angesetzt. In dem über die Ansatzstelle des konvergenten Stutzens weiter nach hinten gezogenen Rohre befinden sich mehrere Rosetten.
Der Einblick in die Strömungsvorgänge hinter den Zylindern des Motors, auf welchem die Erfindung aufbaut, zeigt deutlich, dass die nichtstationäre Strömung in der Rohrleitung von den Druckwellen herrührt, die beim Öffnen und Schliessen der Steuerungsöffnungen der Maschinenzylinder entstehen, und deren Fortpflanzung, Reflexion und Umformung von der Gestaltung des Kanales sehr wesentlich abhängt, den sie durchsetzen. Die Aufgabe, welche die Erfindung löst, besteht darin, eine Ausbildung dieses Kanales zu finden, die eine optimale Geschwindigkeitsverteilung in der Gasströmung sichert. Die Geschwindigkeitsverteilung ist aber keineswegs unempfindlich, sondern im Gegenteil von der Gestaltung und Anordnung der einzelnen Elemente und insbesondere von Einbauten des Kanales stark abhängig.
Einen Anhaltspunkt für die Lösung bilden die Gesetze, nach denen im wesentlichen die Bewegung von Gasen in einer Auspuffvorrichtung geregelt wird.
Für die Bewegung von Gaspartikelchen bei einem derart schnellen Vorgang, wie er bei Brennkraftma- schinen stattfindet (0, 04-0, 01 sec/Cykl.), ist massgebend, dass den Partikelchen Geschwindigkeiten von den Elementardruckwellen erteilt werden, die durch den betreffenden Punkt hindurchgehen. Verdichtungwellen verursachen eine Partikelbewegung in Richtung der Wellenfortpflanzung (Druck), Verdünnungswellen erteilen eine Geschwindigkeit in der ihrer eigenen Fortpflanzungsrichtung entgegengesetzten Richtung (Sog). Den Strömungscharakter bestimmen somit die Art und die Richtung sämtlicher Elementar-Druckwellen, die den in Betracht stehenden Punkt passieren und deren Summe den indizierten Druck in diesem Punkt angibt.
Bei Beobachtung dieser Gesetze, d. i. durch geeignete Beeinflussung der Fortpflanzung und Reflexion der Druckwellen, kann eine Auspuffvorrichtung ausgebildet werden, die für den gegebenen Zweck tat-
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sächlich optimale Eigenschaften in bezug sowohl auf Motorleistung als auch auf die Schalldämpfung auf- weist.
Das gesteckte Ziel lässt sich erreichen, wenn erfindungsgemäss unter Vermeidung von Einbauten an die von der Maschine kommende Leitung ein sich erweiternder Stutzen und unmittelbar an diesen ein sich verengender, in eine Vorkammer verlegter Stutzen anschliesst und, gegebenenfalls unter Zwischenschal- tung wenigstens einer weiteren Kammer, an die Vorkammer der eigentliche Schalldämpfer angeschlossen ist.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert, die in der Zeich- nung schematisch dargestellt sind, in welcher Fig. 1 und Fig. 2 je einen Längsschnitt durch eine erfin- dungsgemässe Auspuffvorrichtung darstellen.
Die veranschaulichten Vorrichtungen bestehen aus einer zylindrischen Leitung 2, die von einer Aus- lassöffnung einer Brennkraftmaschine kommt. An die Leitung schliesst eine Kammer 3 und an diese ein sich in Strömungsrichtung erweiternder Stutzen 4 an. Am Ende des Stutzens, welcher dort den Querschnitt F aufweist, ist eine Vorkammer 6 und das erweiterte Ende eines in Strömungsrichtung konvergierenden
Stutzens 5. angesetzt. Auf die Vorkammer folgt, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung wenigstens einer weiteren Kammer der eigentliche Schalldämpfer 1. Sowohl der Eintrittsquerschnitt F als auch der Aus- trittsquerschnitt f des konvergenten Stutzens 5 können beliebige Umrisse aufweisen.
Es lassen sich aber immer kreisförmige Ersatzquerschnitte mit den Durchmessern D bzw. d angeben, welche den Querschnitten F bzw. f flächengleieh sind.
Vom Augenblick an, in dem der Auslass im Zylinder geöffnet wird, pflanzen sich die Elementarwel- len durch die zylindrische Rohrleitung 2 fort und erteilen den darin befindlichenGaspartikelcheneine Bewegung. Bei Änderung der Querschnitte der Kammer 3 und des divergenten Stutzens 4 werden diese Wellen reflektiert, kehren zur Auslassöffnung zurück und erteilen den Gaspartikelchen eine weitere Bewegung. Der konvergente Stutzen 5 sowie die Drosselstelle zwischen der Kammer 3 und dem divergierenden Stutzen 4 reflektieren die Anfangsimpulse in einem Sinne, der den durch den Stutzen 4 und die Kammer 3 bewirkten Impulsen entgegengerichtet ist.
Hiedurch wird sowohl eine Herabsetzung der Austrittsgeschwindigkeit als auch eine langsamere Senkung derselben erreicht, als bei Reflexion lediglich am Ende der Kammer 6, ohne Einschaltung des konvergenten Stutzens 5. Auch der Anstieg der Rücklaufgeschwindigkeit zum Zylinder wird verlangsamt. Daraus ergibt sich ein weniger ausgeprägtes, jedoch über einen breiteren Drehzahlbereich sich erstreckendes Maximum der Zylinderfüllung, wie dies für die Fahrzeugmotoren erforderlich ist.
Bei der erfindungsgemässen Ausbildung werden von dem konvergenten Stutzen 5 die aus der Auslass- öffnung austretenden Elementardruckwellen in entgegengesetzter Richtung reflektiert, wie von dem vorgeschalteten divergenten Kegelstutzen 4, jedoch viel weicher als von einer Trennwand oder einer Drosselstelle. Der Stutzen 5 trägt zu einer vorteilhaften allmählichen Abnahme der Austrittsgeschwindigkeit an der Auslassöffuung bzw. zu einem leichten Anstieg der Rücklaufgeschwindigkeit zum Zylinder hin gegen das Auspuffende bei. Die Drehzahlcharakteristik des Motors nimmt daher eine Form an, gemäss der sich das Maximum der Zylinderfüllung bei hoher Ausnutzung der zugeführten Luft über einen grösseren Drehzahlbereich erstreckt.
Optimale Ergebnisse, lassen sich erzielen, wenn die Querschnitte F und f des konvergenten Rohrstutzens 5 und dessen Länge L innerhalb gewisser Grenzen in ein Verhältnis gebracht werden. Es empfiehlt sich, bei der Bemessung der Querschnitte F bzw. f die Beziehung d : D = 0, 55-0, 85 zu berücksichtigen. Vorteilhaft ist es, wenn die Neigung der Wand des Rohrstutzens 5 in bezug auf seine Mittellinie nach der
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