DE19855805A1 - Rohrkrümmer - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Rohrkrümmer, der als Teil des Ansaugtraktes einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist, vorgeschlagen. Um bei starker Krümmung r des Rohrbogens ein Ablösen der Strömung im Innenbereich 16 der Rohrquerschnitte 13, 11, 12 zu vermeiden, sind diese innen abgeflacht. Im Gegensatz zu einem Kreisquerschnitt 15 mit vergleichbarer Fläche kann auf diese Weise eine turbulente Strömungsausbildung in der Innenkontur des Rohrbogens verhindert werden. Auf diese Weise werden die Strömungsverluste im Rohrbogen stark vermindert. Die Erfindung findet vor allen Dingen dort Anwendung, wo im Motorraum einer Brennkraftmaschine aufgrund der Einbauverhältnisse das Ansaugsystem mit starken Krümmungen ausgeführt werden muß.
Description
Die Erfindung betrifft einen Rohrkrümmer, der als Teil des Ansaugtraktes einer
Brennkraftmaschine ausgebildet ist, mit einer im Verhältnis zum Leitungsquerschnitt
starken Krümmung der Leitung nach der Gattung des Patentanspruches 1.
Der Ansaugtrakt von Brennkraftmaschinen besteht im allgemeinen aus mehreren
Modulen. Diese müssen an die Platzverhältnisse im Motorraum angepaßt werden.
Dabei sind häufig komplizierte Geometrien zu verwirklichen, wobei sich
Rohrabschnitte mit einem starken Krümmungsradius bezogen auf den
Rohrquerschnitt ergeben. Als typisches Beispiel für das Auftreten starker
Rohrkrümmungen sind die Ansaugkanäle kurz vor den Zylindereinlässen am
Zylinderkopf zu nennen. Dies kann z. B. der DE 44 99 626 T1 entnommen werden.
Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 3 und 4 zeigt Saugkanäle mit kreisrundem
Querschnitt, die zu den zylinderseitigen Einlässen stark gekrümmt sind. Dabei ist der
Krümmungsradius der Symmetrielinie dieses Rohrabschnittes betragsmäßig
ungefähr doppelt so groß wie der Durchmesser des Rohres. Nach
strömungsmechanischen Gesichtspunkten ist die beschriebene Rohrgestaltung
jedoch wenig vorteilhaft. Wird der Rohrbogen durch die Verbrennungsluft
durchströmt, kann die Strömung dem Radius der Innenkontur nicht folgen, was zu
einer Strömungsablösung führt. In diesem Bereich bildet sich dann ein turbulenter
Wirbelraum, der die effektiv zur Verfügung stehende Querschnittsfläche des
Rohrbogens verkleinert. Dadurch steigt der Strömungswiderstand an, was in
extremen Fällen zu einem Mehrfachen des Ursprungswertes führen kann.
Man könnte nun diesem Problem Abhilfe schaffen, indem man einen
Krümmungsradius des Rohrs wählen würde, der mindestes das Siebenfache des
Rohrdurchmessers beträgt. Es hat sich gezeigt, daß in diesem Bereich die
Rohrströmung im Rohrbogen unkritisch bleibt, d. h. daß es zu keiner
Strömungsablösung kommt. Für eine solche Maßnahme ist jedoch im Normalfall im
Motorraum nicht der nötige Platz vorhanden, so daß hierin keine befriedigende
Lösung des Problems zu sehen ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Rohrkrümmung für den Ansaugtrakt
einer Brennkraftmaschine bei Realisierung kleiner Krümmungsradien im Verhältnis
zur Querschnittsfläche des Rohres zu schaffen, welche einen möglichst geringen
Strömungswiderstand unabhängig von der Durchströmungsgeschwindigkeit des
Rohres aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Rohrkrümmung im Ansaugtrakt einer
Brennkraftmaschine derart zu gestalten, daß der mittlere Krümmungsradius r
betragsmäßig mindestens doppelt so groß ist, wie die Höhe h des
Rohrquerschnittes, gemessen in der jeweiligen Krümmungsebene des
Rohrquerschnittes. Der mittlere Krümmungsradius verläuft dabei jeweils durch die
Flächenschwerpunkte der Rohrquerschnitte im Bereich des Rohrkrümmers, der
durch den Anfangsquerschnitt und den Endquerschnitt begrenzt ist. Die
Krümmungsebene liegt senkrecht zum jeweiligen Rohrquerschnitt, wobei der
Mittelpunkt M des jeweiligen Krümmungsradius ebenfalls in der Krümmungsebene
liegt. Eine Verbesserung der Strömungsverhältnisse im Rohrkrümmer ergibt sich,
wenn der Rohrquerschnitt im Rohrkrümmer derart gewählt wird, daß der
Durchmesser d eines kreisrunden Ersatzquerschnittes mit gleicher Fläche wie der
gewählte Rohrquerschnitt größer ist als h. Weiterhin wird vorausgesetzt, daß das
Verhältnis r/d bei einem Krümmer mit gleicher Krümmungsgeometrie und einem
kreisförmigen Ersatzquerschnitt kleiner als 6,5 ist. Es hat sich nämlich gezeigt, daß
oberhalb dieses Verhältnisses die Strömung im Ersatzkrümmer mit kreisförmigem
Querschnitt ebenfalls unkritisch ist, so daß sich die erfindungsgemäße Verbesserung
nicht auswirken würde. Die Rohrquerschnitte im Bereich des Rohrkrümmers weisen
im wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche auf, da der Volumenstrom der
Ansaugluft über die Länge des Rohrkrümmers konstant ist. Allerdings kann sich eine
Veränderung der Querschnittsfläche aufgrund er konstruktiven Ausgestaltung des
Rohrkrümmers ergeben. Der mittlere Rohrquerschnitt ergibt sich dann als
Durchschnittswert aller Rohrquerschnitte über die Länge des Rohrkrümmers.
Der Effekt der geometrischen Ausgestaltung der Rohrquerschnitte entsprechend des
Erfindungsgedankens ist der, daß sich deren Höhe im Vergleich zum Durchmesser
des kreisförmigen Ersatzquerschnittes verringert. Diese konstruktive Maßnahme
führt zu einer stabileren Ausprägung der ansonsten leicht störbaren Haftfähigkeit der
Strömung entlang der Innenkontur des Rohrkrümmers. Auf diese Weise werden
Ablösungen vermieden, wodurch für den Rohrkrümmer ein optimaler
Strömungswiderstand erreicht wird.
Einer besonderen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens gemäß sind die
Rohrquerschnitte zwischen Anfangs- und Endquerschnitt des Rohrkrümmers auf der
dem Krümmungsmittelpunkt der Rohrkrümmung zugewandten Seite abgeflacht. Dies
kann insbesondere durch Vorsehen eines geraden Abschnittes in der Umfangslinie
der Rohrquerschnitte erfolgen. Es hat sich dabei gezeigt, daß die günstigste
Querschnittsform für die Rohrquerschnitte der Schnittfläche eines Brotes entspricht.
Hiermit ist eine Form der Querschnittsfläche gemeint, die im Bereich der inneren
Rohrkontur gerade verläuft und zur Außenkontur des Rohrquerschnitts durch kleine
Radien mit einer näherungsweise halbkreisförmigen oder elliptischen Krümmung
verbunden ist. Eine weitere Verbesserung ergibt sich, wenn der Querschnittsfläche
eine nierenförmige Gestalt gegeben wird. Der Bereich der geraden Rohrkontur ist
dann zum Rohrinneren hin gekrümmt, wodurch h im ablösungsgefährdeten Bereich
der Rohrkrümmung weiter verkleinert werden kann.
Im Bereich der stärksten Rohrkrümmung im Rohrbogen kann die Querschnittsfläche
der Rohrquerschnitte leicht erhöht werden. Hierdurch sinkt in diesem Bereich die
Strömungsgeschwindigkeit des Fluids mit der Folge einer geringeren
Ablösungsgefährdung.
Vorteilhafterweise wird für den Querschnitt ein Verhältnis b/h der Breite und der
Höhe des Rohrquerschnitts von größer als 2 gewählt. Diese Querschnittsformen
weisen ein vertretbares Verhältnis zwischen Umfang und Fläche des Querschnitts
auf und bewirken dabei eine hinreichend große Beruhigung der Strömung im
Rohrkrümmer.
Gemäß einer Modifikation der Erfindung sind der Anfangs- sowie der Endquerschnitt
oder zumindest einer von beiden mit einer Übergangszone versehen. Diese erlaubt
die freie Gestaltung der Querschnittsfläche im Rohrbogen unabhängig von dem
sonst im Ansaugtrakt herrschenden Querschnitt, der z. B. rund sein kann. Die
Übergangszone bildet einen kontinuierlichen Übergang vom Querschnitt des
Ansaugtraktes in den Querschnitt des Rohrkrümmers. Dabei können
Übergangsstück, Ansaugtrakt und Rohrkrümmer einteilig oder in Modulbauweise
ausgeführt sein. Die Übergangsstücke können auch derart ausgeführt sein, daß die
Ansaugluft bereits in diesem Abschnitt des Ansaugtraktes eine Richtungsänderung
erfährt. Der Krümmungsradius in den Übergangsstücken muß allerdings hinreichend
groß gewählt werden, daß sich in diesem Teil des Ansaugtraktes keine
ablösungsbehaftete Rohrströmung ausbildet.
Es ist vorteilhaft, den Ansaugtrakt in verschiedenen Luftführungsmodulen
herzustellen. Dies kann beispielsweise ein Saugrohr oder auch ein Luftfiltergehäuse
sein. Weiterhin können Drosselorgane mit Leitungsabschnitten kombiniert werden
usw. In diese Luftführungsmodule kann der Rohrkrümmer in der erfindungsgemäßen
Geometrie integriert werden. Er bildet dabei kein einzelnes Bauteil, sondern eine
konstruktive Ausgestaltung des Luftführungsmoduls.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen
außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen
hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in
Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf
anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige
Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von
schematischen Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigen
Fig. 1 die dreidimensionale Darstellung der Umrißgestaltung eines
90° Rohrkrümmers mit einem brotförmigen Querschnitt,
Fig. 2 eine dreidimensionale Darstellung der Wandfläche eines
Ansaugkanals zu einem Zylinder mit zwei Ventilen, wobei
die in dem Ansaugkanal auftretende starke Krümmung mit
einem brotförmigen Querschnitt versehen ist.
In Fig. 1 ist die Geometrie des erfindungsgemäßen Rohrbogens dargestellt. Der
Rohrbogen leitet die Verbrennungsluft in Richtung der Pfeile 10 um 90° um. Ein
Anfangsquerschnitt 11 und ein Endquerschnitt 12 weisen die Form der Schnittfläche
eines Brotes auf. Rohrquerschnitte 13 zwischen Anfangs- und Endquerschnitt
weisen eine konstante Querschnittform auf, die dem Anfangs- und Endquerschnitt
entsprechen. Der Krümmungsradius r ergibt sich aus der den Krümmungsmittelpunkt
M mit den Flächenschwerpunkten S der Querschnittsflächen 11, 12, 13
verbindenden Strecke. In diesem Ausführungsbeispiel beschreibt eine Krümmung
14, die durch alle Flächenschwerpunkte S der Querschnittsflächen 13 verläuft, einen
Viertelkreis. Somit ist auch der Krümmungsradius konstant.
Gestrichelt eingezeichnet ist ein Ersatzquerschnitt 15, der denselben Flächeninhalt
wie der Rohrquerschnitt 13 aufweist. Der Ersatzquerschnitt 15 hat auch denselben
Krümmungsradius wie der Rohrquerschnitt 13. Während der Ersatzquerschnitt 15
annähernd denselben Außenradius beschreibt wie der Rohrquerschnitt 13, fällt der
Innenradius des Ersatzquerschnittes 15 deutlich kleiner aus als der des
Rohrquerschnitts 13. Hieraus ergibt sich, daß bei dem Rohrkrümmer mit dem
Rohrquerschnitt 13 bei gleichen Einbaumaßen zum Außenradius hin ein geringerer
Innenradius realisiert werden kann, was eine Gefahr der Ablösung der Strömung in
diesem Rohrwandbereich verringert. Eine Abflachung 16 des Rohrquerschnittes 13
führt zu einer weiteren Verminderung der Ablösungsgefahr.
Fig. 2 verdeutlicht ein Anwendungsbeispiel für den erfindungsgemäßen
Rohrkrümmer im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine. Es handelt sich hierbei um
die Gestaltung der Innenkontur eines Saugrohrs 22 kurz vor den mit nicht
dargestellten Ventilen versehenen Zylindereinlässen 17. Ein Saugrohrquerschnitt 18
weist Kreisform auf. An diesen ist eine Übergangszone 19 angeschlossen, die zu
einer kontinuierlichen Veränderung des kreisförmigen Saugrohrquerschnitts 18 zum
Anfangsquerschnitt 11 einer Krümmungszone 20 führt. Die Krümmungszone 20
weist im wesentlichen einen brotförmigen Querschnitt auf und endet im
Endquerschnitt 12, der z. B. in der Ebene eines nicht dargestellten
Zylinderkopfflansches des Saugrohrs liegen kann. Von dort teilt sich der
Endquerschnitt 12 in zwei im wesentlichen runde Luftkanäle 21, die zu den
Einlässen 17 führen. Da diese lediglich die halbe Querschnittsfläche des Saugrohrs
besitzen, sind die Strömungsverhältnisse bezüglich der Rohrkrümmung in diesem
Bereich als unkritisch anzusehen.
Claims (9)
1. Rohrkrümmer, der als Teil des Ansaugtraktes einer Brennkraftmaschine
ausgebildet ist, mit einem Anfangsquerschnitt (11) und einem Endquerschnitt (12),
wobei
- - alle Rohrquerschnitte (13) zwischen Anfangs- und Endquerschnitt im wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche aufweisen,
- - das Verhältnis r/d des mittleren Krümmungsradius r zum Durchmesser d einer Kreisfläche mit dem Flächeninhalt des mittleren Rohrquerschnitts kleiner 6,5 ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis r/h von r zur Höhe h der Rohrquerschnitte (13), gemessen in der jeweiligen Krümmungsebene, größer als das Verhältnis r/d ist.
2. Rohrkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dessen
Wandung auf der einem Krümmungsmittelpunkt (M) der Rohrkrümmung
zugewandten Seite abgeflacht ist.
3. Rohrkrümmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rohrquerschnitte (13) die Form der Schnittfläche eines Brotes aufweisen.
4. Rohrkrümmer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohrquerschnitte (13) die Form einer Niere aufweist.
5. Rohrkrümmer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohrquerschnitte (13) im Bereich der stärksten Rohrkrümmung eine leicht
vergrößerte Querschnittsfläche aufweisen.
6. Rohrkrümmer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis b/h der Breite b der Rohrquerschnitte (13) zu deren Höhe h
größer als 2 ist.
7. Rohrkrümmer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß sich zwischen Leitungsabschnitten des Ansaugtraktes und dem
Anfangsquerschnitt (11) und/oder dem Endquerschnitt (12) eine Übergangszone
(19) mit einem kontinuierlichen Übergang von dem Querschnitt des jeweiligen
Leitungsabschnittes zum Anfangs- oder Endquerschnitt befindet.
8. Rohrkrümmer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß im Bereich der Übergangszone die Einleitung der Richtungsänderung erfolgt.
9. Rohrkrümmer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß dieser integraler Bestandteil eines im Ansaugtrakt eingesetzten
Luftführungsmoduls, beispielsweise eines Saugrohres (16), ist.
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