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Brennkraftmaschine mit einer düsenförmigen Auslaß- und gegebenenfalls
auch düsenförmigen Einlaßleitung Die Erfindung bezieht sich auf eine weitere Verbesserung
und Ausgestaltung von Brennkraftmaschinen mit einer düsenförmigen Auslaß- und gegebenenfalls
auch düsenförmigen Einlaßleitung sowie mit einer Überschneidung der Auslaß- und
Einlaßzeitquerschnitte, derart, daß das Spülen und Laden durch die Saugwirkung der
aus dem Zylinder abströmenden Abgase erfolgt:-Die Erfindung besteht darin, daß die
unmittelbar hinter bzw. vor dem Zylinder sich erstreckende Düse nach dem Vorbild
einer Venturidüse einen stetig sich verjüngenden und unmittelbar daran anschließend
sich wieder stetig erweiternden Querschnitt hat, dessen engste Stelle in Abhängigkeit
von der Belastung der durchströmenden Gasmengen in an sich bekannter Weise regelbar
ist.
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Zweck der Erfindung ist, das Abströmen der Abgase und das Zuströmen
der Ladung nach Möglichkeit zu erleichtern und dadurch die Maschine möglichst drehzahlunempfindlich
zu machen. Brennkraftmaschinen der obengenannten Gattung mit einem düsenförmigen
Auslaß sind bekannt. Es befindet sich bei den bekannten Anordnungen jedoch kein
Regelglied des Durchlaßquerschnittes an der
engsten Stelle, sondern
eine Abschlußklappe am Ende eines längeren, an die Düsenform sich anschließenden
zylindrischen Stutzens. Ein Nachteil dieser Anordnung ist, daß ein vollständiger
Abschluß des Leitungsendes nicht immer zweckmäßig ist und daß sich zwischen der
engsten Stelle der Düsenform und dem sich daran anschließenden Leitungsende eine
längereGassäule befindet, die durch die Schließkraft der Abschlußklappe von einerri
gewissen Druckabfall an an einem weiteren Entweichen aus der Leitung verhindert
wird und deren Schwingungen auf den Auspuffvorgang störend einwirken. Man hat derartige
Abschlußglieder auch schon umittelbar hinter der Auspufföffnung des Zylinders angeordnet,
doch fehlt den an diese Auspufföffnung sich anschließenden Kanälen die strömungsw
iderstandsarmeVenturidüsenform. Es haben also die Anordnungen wiederum eine zu starke
Drosselwirkung, die das angestrebte rasche Entweichen der Abgase verhindern. Ein
weiterer Nachteil der bekannten Klappenabschlüsse ist, daß sie einseitig aufgehängt
sind und nicht, wie die Regelglieder nach der vorliegenden Erfindung, als zweiteilige
Regelglieder von der Querschnittsmitte her öffnen. Durch diese Wirkung wird der
Regelvorgang erheblich beschleunigt. Es sind zwar auch bereits Brennkraftmaschinen
mit einem Spreizfederabschluß am Ende der Auspuffleitung bekannt, doch fehlt auch
bei diesen Maschinen wiederum die strömungswiderstandsarme Venturidüsenausbildung.
Schließlich hat man auch schon am Ende eines Sammelbehälters für mehrere Auspuffleitungen
eine regelbare Abströmdüse vorgesehen. Es bringt diese jedoch ebenfalls keine vollkommene
Lösung, weil die Auspuffleitungen der einzelnen Zylinder an verschiedenen Stellen
in den Sammelbehälter einmünden und außerdem die Zylinder nicht alle gleichzeitig
in den Sammelbehälter ausblasen. Es liegen also für jeden einzelnen Auspuffvorgang
an dem betreffenden Zylinder andere Schwingungsverhältnisse vor. Demgegenüber betrifft
die vorliegende Erfindung eine Kombination, deren Merkmale sich hinsichtlich eines
strömungsarmen Widerstandes und einer größeren Feinfühligkeit der Regelung in den
luft- bzw. gasförmigen Leitungen bei gleichzeitiger Verhinderung störender Schwingungen
einander besonders wirksam ergänzen.
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Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß
bei Anordnung von einer oder mehreren mit der düsenförmigen Leitung zusammenwirkenden
Staukammern der Verbindungsquerschnitt zwischen der Staukammer bzw. den Staukammern
und derLeitung zusätzlichgeregeltwerden kann, insbesondere derart, daß bei Ouerschnittsverringerung
der Leitung der Verbindungsquerschnitt zu der oder den Staukammern vergrößert wird,
und umgekehrt.
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Die Regelung erfolgt zweckmäßig selbsttätig in Abhängigkeit vom Strömungszustand
des Gases bzw. des betreffenden durch die Leitung strömenden Mediums unter Verwendung
von Steuergliedern nach Art voll Rückschlagventilen, welche sich unter der Wirkung
einer Gasströmung in Haupt-Strömungsrichtung öffnen, unter der Wirkung einer entgegerrgerichteten
Gasströmung dagegen schließen.
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Durch die Erfindung wird eine weitgehende Anpassung der in der Leitung
auftretenden Schwingungs- und Strömungszustände an die Drehzahl und Belastung der
:Maschine und damit ein hoher Füllungs- und Wirkungsgrad der Maschine innerhalb
eines großen Drehzahl- und Belastungsbereiches ermöglicht. Die Regelung an der engsten
Stelle der düsenförmig ausgebildeten Leitung ist hierbei besonders wirksam, da die
Geschwindigkeit der sich durch die Leitung bewegenden Gasmasse sowie deren Größe
und Druckzustand von dem Querschnitt der engsten Stelle der Leitung maßgeblich abhängig
ist, ebenso wie auch von dem Verhältnis der Querschnitte, die sich den rückstauenden
Gasen in Richtung auf den Maschinenzylinder einerseits und den gegebenenfalls vorgesehenen
Staukammern bieten.
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Die selbsttätige Regelung erfolgt hierbei insbesondere in der Weise,
daß bei Verstärkung der Gasströmung in Hauptstromrichtung der Querschnitt der Auslaßleitung
vergrößert, der Querschnitt zu der oder den Staukammern dagegen gegebenenfalls verkleinert
wird, während bei Verstärkung einer umgekehrten Gasströmung der Querschnitt der
Auslaßleitung verkleinert, der Querschnitt zu der oder den Staukammern dagegen gegebenenfalls
vergrößert wird. Eine solche Regelung kann in einfachster Weise durch eine Regelvorrichtung
nach Art von Rückschlagventilen erfolgen, welche sich unter der Wirkung einer Gasströmung
in Hauptströmungsrichtung öffnen, unter der Wirkung einer entgegengerichteten Gasströmung
dagegen schließen. Sie hat zur Folge, daß z. B. bei hohen Drehzahlen, bei denen
die pro Zeiteinheit aus dem Zylinder austretende Gasmasse verhältnismäßig groß ist,
ein großer Querschnitt der Abgasleitung gebildet und damit die wirksame Länge der
Abgasleitung bzw. die Schwingungsdauer der Gasmasse verringert wird, was mit Rücksicht
auf die zur Verfügung stehenden Steuerzeiten für den- Auslaß und mit Rücksicht auf
die Verkürzung des Zeitabstandes zwischen Beginn der Auslaßeröffnung und dem Beginn
der Einlaßeröffnung bei höheren Drehzahlen besonders erwünscht ist. In ähnlichem
Sinne wirkt die hierbei gegebenenfalls gleichzeitig stattfindende Verkleinerung
des Verbindungsquerschnittes zwischen der Leitung und -der Staukammer bzw. Staukammern.
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Da ferner bei höherer Belastung der Maschine auch stärkere Verdichtungswellen
erzeugt werden, erweitert sich mit wachsender Belastung und vorwärts laufender Druckwelle
der Leitungsquerschnitt, während gegebenenfalls der Querschnitt zwischen Leitung
und Staukammer verkleinert wird. Bei fallender Belastung wird dagegen die Leitung
verengt und die Verbindung zwischen Leitung und Staukammer erweitert.
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Gleichzeitig wird die Gefahr einer schädlichen Rückschwingung zum
Zylinder dadurch behoben, daß die rückströmenden Gasmassen den Leitungsquerschnitt
zu
verringern suchen. Je größer der Überdruck der rückwirkenden Auspuffwelle wird,
tun so mehr verengt sich die Leitung und bewirkt somit eine Dämpfung der gegen den
Zylinder rückwärts gerichteten Druckwelle. Ebenso werden ungünstige Oberschwingungen
wirksam gedämpft.
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Die düsenförmige Ausbildung der Leitung mit anschließender diffusorartiger
Erweiterung ermöglicht eine Umwandlung von Druckenergie in Strömungsenergie und
umgekehrt mit günstigstem Wirkungsgrad. Auch können für gleich große Gasmengen die
Öffnungsquerschnitte des Auslasses bzw. Einlasses verhältnismäßig klein gehalten
werden, die :Maschinen also z. B. mit niederen Schlitzhöhen ausgeführt werden, wodurch
der nutzbare Hub vergrößert werden kann. Die Beschleunigung der Gase bis zu ihrem
Höchstwert kann auf kürzestem Wege bewirkt werden. In Anwendung auf die Auslaßleitung
kann hierbei in Verbindung mit möglichst schnell freigelegtem Auslaßquerschnitt
eine besonderes hohe Beschleunigung der Abgasmasse und damit ein besonders wirksamer
Druckstoß erzielt werden.
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Der Querschnitt des Auslaßkanals an der engsten Stelle ist ferner
zweckmäßig etwa so groß wie der Querschnitt des Vorauslasses zu wählen, der bis
zum Eintreten des größten Verdichtungsstoßes freigelegt ist. Der Querschnitt dieses
Vorauslasses soll ferner zweckmäßig möglichst groß sein (möglichst größer als
0,3 der Kolbenfläche) weswegen eine vollständig freie Ringfläche ohne Stege
für den Auslaßquerschnitt am zweckmäßigsten ist. Die Länge der Auslaßleitung kann
ferner um so kürzer sein, je kürzer die Einlaßleitung ist. Bei kurzen Einlaßleitungen
genügen schon Auslaßleitungen, die kürzer als der doppelte Hub des 1Iaschinenkolbens
sind.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt,
und zwar zeigt Abb. i einen schematischen Querschnitt durch einen Zylinder mit einander
gegenüberliegenden Einlaß- und Auslaßleitungen, Abb. 2 einen Querschnitt durch eine
etwas andere Ausführungsform, wobei jedoch nur die Auslaßleitung dargestellt ist,
Abb. 3 eine weniger schematische Darstellung der Auslaßvorrichtung und Abb. .l.
einen Schnitt nach Linie A-B der Abb. 3. In Abb. i bedeutet io den durch die Zylinderbüchsen
i i gebildeten Zylinderraum der Maschine, welcher durch die Einlaßöffnungen 12 und
die Auslaßöffnungen 13 mit der-Einlaßleitung 14 bzw. der Auslaßleitung 15 in Verbindung
steht. Sowohl die Einlaßleitutig als auch dieAuslaßleitung sind düsenförmig ausgebildet.
Zu diesem Zweck besitzt die Einlaßleitung eine trompetenförmige Einlaßmündung 16,
welche über den engsten Querschnitt 17 düsenförmig in den den Einlaßöffnungen vorgeschalteten
Einlaßraum 18 übergeht. An der engsten Stelle der Leitung befinden sich Rückschlagklappen
i9, welche sich uni Drehpunkte 2o drehen können und entweder frei beweglich dem
Einlaßluftstrom ausgesetzt sind oder durch Federn, z. B. kleine Blattfedern 21,
in Schließstellung gedrängt werden. In ähnlicher Weise geht der den Auslaßöffnungen
13 unmittelbar nachgeschaltete Auslaßraum 22 düsenförmig über eine engste Stelle
23 in einen Diffusor 2.4 über, wobei die engste Stelle 23 der düsenförmigen Auslaßleitung
wieder durch entsprechend angeordnete Rückschlagventile 25 mit den Drehpunkten 26
und den gegebenenfalls vorgesehenen Federn 27 gebildet wird.
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Die engste Stelle des gesamten Leitungssystems befindet sich zweckmäßig
an der engsten Stelle 23 des düsenförmigen Auslaßkanals. Infolge der düsenförmigen
Ausbildung von Einlaß- und Auslaßkanal wird einerseits die Saugwirkung der den Zylinder
verlassenden Abgase besonders wirksam gestaltet und ein hoherFüllungsgrad der Maschine
erzielt, andererseits findet gleichzeitig hierdurch die Umsetzung der Druckenergie
in Strömungsenergie und umgekehrt mit dem günstigsten Wirkungsgrad statt.
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Die Rückschlagventile in den Einlaß- und Auslaßleitungen wirken hierbei
in der Weise, daß mit höheren Drehzahlen bzw. höheren Belastungen der Maschinen,
d. h. also mit größeren pro Zeiteinheit durch die Leitung strömenden Gasmassen die
Rückschlagventile selbsttätig einen größeren Querschnitt freigeben, während sie
bei Verringerung der durch die engsten Stellen durchtretenden Gasmengen den von
ihnen freigegebenen Querschnitt ebenfalls verringern. Bei auftretenden Rückschwingungen
oder einem Rückstau der Gase (bzw. der Frischluft) tritt ebenfalls in verstärktem
Maße eine Drosselung des engsten Querschnittes ein, so daß ein Rücktritt der Abgase
in den Zylinder bzw. ein Rückfließen der Frischluft aus dem Zylinder verhindert
oder wenigstens weitgehend unterbunden wird.
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Statt einer düsenförmigenAusbildung bzw. einer Regelung des engsten
Querschnittes sowohl der Einlaß- als auch der Auslaßleitung kann eine entsprechende
Ausbildung und Regelung gegebenenfalls auch lediglich für die eine dieser beidenLeitungen
vorgesehen sein, wobei eine Regelung der Auslaßleitung, und zwar insbesondere bei
Zweitaktmaschinen, in erster Linie in Betracht kommt.
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Besonders vorteilhaft ist ferner die Anwendung des Gleichstromprinzips
für das Spülen und Laden der Maschine, indem beispielsweise die Maschine als Gegenkolbenmaschine
ausgebildet wird, bei welcher der Einlaß durch den einen Kolben und der Auslaß durch
den anderen Kolben gesteuert wird. Einlaß und Auslaß können hierbei gemäß der Erfindung
regelbar sein. Die Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen können sich über den ganzen Umfang
des Zylinders erstrecken, wodurch eine besonders kleine Schlitzhöhe trotz großer
Querschnitte ermöglicht wird.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 2 ist an den Maschinenzylinder io
eine Auslaßleitung angeschlossen, welche aus dem sich düsenförmig verengenden Auslaßraum
22 dem Diffusor 2q. und einer die engste Stelle 23 der düsenförmigen Auslaßleitung
umgebenden Staukammer 28 gebildet wird. Der Auslaßraum 22 und die Staukammer werden
hierbei durch die Rückschlagklappen 25 voneinander getrennt, welche bei 26 gelagert
sind und z. B. durch geeignete Federn in die gestrichelt angedeutete
Schließlage
25' gedrängt werden. In der gezeichneten geöffneten Stellung der Rückschlagklappen
25 steht die Staukammer 28 mit der eigentlichen Auslaßleitung durch einen verhältnismäßig
engen Ringspalt 29 in Verbindung, derart, daß die mit großer Energie den Zylinder
verlassenden und die engste Stelle der Leitung durchströmenden Gase von der Staukammer
28 her nur wenig beeinflußt werden. Bei einem Rückstau der Gase schließen sich jedoch
die Rückschlagventile25 mehr oder weniger, so daß der engste Querschnitt 23 der
Auslaßleitung verringert oder durch die Rückschlagklappen ganz abgeschlossen wird,
während gleichzeitig eine breite Verbindung zwischen der Leitung bzw. dem Diffusor
24 und den Staukammern 28 gebildet wird. Ebenso tritt ein teilweises Schließen der
Rückschlagklappen 25 ein, wenn sich die Drehzahl oder die Belastung der Maschine
und damit die Energie der den Zylinder verlassenden Abgase verringert. Die dadurch
bewirkte weitere Verengung des engsten Querschnittes und die Verbreiterung der Verbindung
zu den Staukammern hat zur Folge, daß die wirksame Länge der Auslaßleitung bzw.
dieSchwingungsdauer der Abgase vergrößert wird, was mit Rücksicht auf die gleichzeitig
eintretende Vergrößerung des Zeitraumes zwischen dem Auslaßbeginn und dem Einlaßbeginn
sowie mit Rücksicht auf die verlängerte Auslaßperiode erwünscht ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 3 und q. sind die Rückschlagklappen
25 mit ihren Drehzapfen 26 in einem besonderen Zylinder 3o angeordnet, der in das
Maschinengehäuse 3 i drehbar bzw. einstellbar eingesetzt und in diesem in geeigneter
Weise befestigt ist. Beide Rückschlagklappen 25 stehen z. B. unter der Wirkung einer
kleinen Blattfeder 32, welche durch Schlitze in den Zapfen 26 derart hindurchgeführt
ist, daß sie in der gezeichneten Stellung bei geöffneten Rückschlagventilen etwas
durchgebogen ist und beim Strecken die Rückschlagklappen in die Schließlage 25'
zu bringen sucht. Wie aus Abb. q. ersichtlich, besitzt die durch die Klappen 25
gebildete engste Stelle 23 der Auslaßleitung rechteckigen Querschnitt mit in Richtung
der Zylinderachse geringerer Höhe, wobei die Rückschlagklappen eine dieser Höhe
entsprechendeBreite besitzen und um Drehachsen parallel zur Zylinderachse schwingen.
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Gegebenenfalls könnten die Rückschlagklappen auch um Drehachsen senkrecht
zur Zylinderachse schwingen. Eine solche Anordnung hätte den Vorteil, daß die Rückschlagklappen
einen geringeren Hub auszuführen hätten.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Abb. 3 ist ferner der Diffusor 2,4 in
Achsrichtung verschiebbar angeordnet. Diese Verschiebung erfolgt mittels eines Zapfens
33, welcher mittels eines Exzenters 34 in eine entsprechende Ausnehmung des Diffusors
24. eingreift und durch einen Hebel 35 verdreht werden kann. Durch die Verschiebung
des.Diffusors 24. wird zusätzlich der Verbindungsquerschnitt a9 zwischen der Auslaßleitung
und den in diesem Fall beiderseits desselben vorgesehenen Staukammern 28 vergrößert
bzw. verkleinert. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 3 werden die Staukammern
unmittelbar durch das Maschinengehäuse gebildet. Selbstverständlich können sie auch
durch z. B. aus Blech bestehende Gehäuse an das Maschinengehäuse angesetzt werden,
wobei zweckmäßig zwischen dem Auslaßkanal bzw. dem Maschinenzylinder und der oder
den Staukammern ein besonderer Isolierraum, z. B. ein Luftspalt, zwischengeschaltet
sein kann. Ferner können auch mehrere parallel oder hintereinander geschaltete Staukammern
vorgesehen werden, welche einzeln für sich mit der Auslaßleitung oder auch untereinander
in Verbindung stehen können. Ferner kann eine Regelung der Verbindung zu den Staukammern
unabhängig von der Regelung des engsten Querschnittes derAuslaßleitung erfolgen.
Gegebenenfalls kann ferner die die Rückschlagklappen enthaltende Einsatzzylinder
derart bemessen und ausgebildet sein, daß er zugleich auch die Staukammern umschließt,
welche z. B. in diesem Fall sichelförmige Gestalt besitzen können.
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Die Klappen werden ferner zweckmäßig möglichst leicht gehalten, um
den in der Leitung auftretenden Strömungszuständen möglichst unverzüglich folgen
zu können. Beispielsweise können sie aus Aluminium hergestellt werden, dessen Oberfläche
- beispielsweise durch elektrolytische Oxydation - gegen hohe Temperaturen besonders
widerstandsfähig gemacht worden ist; jedoch lassen sich die Klappen auch z. B. aus
Stahlblech zusammenschweißen oder als hohle Körper aus hitzebeständigem Guß gießen.
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An Stelle von Rückschlagklappen können auch andere geeignete Steuerungs-
und Regelorgane vorgesehen werden. Die Klappen bzw. die entsprechenden Steuer- und
Regelglieder können ferner auch mit Einrichtungen versehen sein, durch welche sie
zusätzlich von außen zu betätigen sind. Ferner kann statt eines rechteckigen Querschnittes
der Leitung an der engsten Stelle auch ein anders gestalteter Querschnitt gewählt
werden.
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Die die Stellung der Regelklappen beeinflussenden Federn können, wie
vorstehend beschrieben, derart ausgebildet und angeordnet sein, daß sie die Regelklappen
od. dgl. in Schließstellung zu bringen suchen. Ihre Anordnung und Ausbildung kann
jedoch auch derart getroffen werden, daß die Klappen durch die Federn in einer mittleren
Stellung gehalten werden, so daß sowohl die Erweiterung als auch die Verengung des
Querschnittes gegen die Wirkung von Federn erfolgt.
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Unter Umständen genügt es jedoch, die Regelglieder als frei bewegliche
Rückschlagklappen ohne Verwendung von Federn auszubilden.