DE1229347B - Wirbelkammer zur Daempfung von Schwingungen, insbesondere in Auspuffleitungen von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

• Wirbelkammer zur Dämpfung von Schwingungen, insbesondere in Auspuffleitungen von Verbrennungsmotoren Die Erfindung bezieht sich auf eine Wirbelkammer zur Dämpfung von Schwingungen und Pulsationen des strömenden Mediums in Rohrleitungen, bei der die Rückströmung dadurch gedrosselt ist, daß die Wirbelkammer mit einem näher der Achse der rotationssymmetrischen Kammer mündenden Eintrittsstutzen und einem in größerer Entfernung von der Achse etwa tangential aus der Kammer führenden Auslaßstutzen versehen ist.
• Bei bekannten solchen Rückströmdrosseln tritt das strömende Medium etwa axial in die rotationssymmetrische Kammer ein und verläßt diese durch den tangentialen Auslaßstutzen. Dabei ist der Strömungswiderstand relativ gering. Der Strömungswiderstand in der umgekehrten Richtung ist jedoch relativ hoch, beispielsweise um das Zwanzigfache größer, da der tangentiale Auslaßstutzen die Rückströmung zunächst als Wirbelströmung entlang der Wand der rotationssymmetrischen Kammer führt, wodurch in Richtung zum Einlaßstutzen ein längerer Strömungsweg entsteht und ein höherer Reibungswiderstand erzeugt wird.
• In vielen Anwendungsfällen ist es nun erwünscht, daß das vom Einlaßstutzen zum Auslaßstutzen geführte strömende Medium in der Wirbelkammer innige Berührung mit der Wirbelkammerwand hat. Dies ist in Auspuffleitungen von Verbrennungsmotoren der Fall, für die die Erfindung insbesondere bestimmt ist, aber auch beispielsweise in Einspritzvergasern von Verbrennungsmotoren, oder in anderen Anwendungsfällen.
• Bei einem bekannten solchen Auspufftopf ist die Wjrbölkammdr,- an deren Wand das strömende Medium in einer Schraubb#ewegung geführt ist, kegelstumpfförmig ausgeführt, und der Einlaß des strömenden Mediums erfolgt über an der kleinen Basisfläche um den Umfang verteilt angeordnete schraubenlinienförmige Leitflächen, die das axial ankommende strömende Medium in die Schraubbewegung überführen, und der Auslaß erfolgt über einen axial gerichteten Auslaßstutzen an der großen Basisfläche der Wirbelkammer. Diese Anordnung dient zum Beruhigen der Strömung und zur Verringerung des Auspuffwiderstandes (Gegen- bzw. Rückdruck). Bei dieser Anordnung ist jedoch das Problem einer Rückströmdrosselung nicht befriedigend gelöst, so daß schädliche Schwingungen oder Pulsationen auftreten können.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfach aufgebaute Wirbelkammer zu schaffen, die wie bei dem letztgenannten bekannten Auspufftopf eine innige Berührung des die Wirbelkammer durchströmenden Mediums mit der Wirbelkarnm and ermöglicht, aber zugleich das Problem der Rückströmdrosselung befriedigend löst.
• Zum Lösen dieser Aufgabe wird nach der Erfindung die eingangs genannte Wirbelkammer so Weitergebildet, daß sie wie bei dem bekannten Auspufftopf kegelstumpfförmig ausgebildet ist und daß der Ein- bzw. Auslaßstutzen in der Nähe der kleinen bzw. großen Basisfläche etwa tangential zur Kegelstumpfmantelfläche in die Kammer münden, wobei der Neigungswinkel des Eiiitrittsstutzens gegen eine zur Achse X-X der Wirbelkammer senkrechte Ebene die Verweilzeit des strömenden Mediums in der Wirbelkaminer bestimmt.
• Die Wirbelkammer gemäß der Erfindung hat einen sehr einfachen Aufbau und vereinigt die Vorzüge des bekannten Auspufftopfes mit denen einer Rückströmdrossel. Außerdem hat sich herausgestellt, daß infolge der kegelstumpfförmigen Ausbildung der Wirbelkammer die Drosselung der Rückströmung besonders wirksam ist. Die Neigung des tangentialen Einlaßstutzens in die Wirbelkammer läßt sich leicht verändern, so daß z. B. die gewünschte Berührungsdauer des strömenden Mediums mit der Wirbelkaninierwand eingestellt werden kann.
• Vorzugsweise ist in der Wirbelkammer in an sich von dem angeführten Auspufftopf bekannter Weise ein Kein angeordnet, der zusammen mit der Mantelfläche der Kammer einen Raum mit ringförmigem Querschnitt begrenzt, wobei sich die radiale Breite seines ringförmigen Querschnittes von einer Anfangsbreite an der kleinen Basisfläche der Kammer bis zu einer engsten Stelle verringert und sich anschließend bis zur großen Basisfläche wieder auf eine Endbreite vergrößert.
• Durch diese venturirohrartige Ausbildung der Kammer eignet sich diese zum Ansaugen eines sekundären Strömungsmittels, wie es für Vergaserzwecke von Vorteil sein kann. Aber auch in mit katalytischem Material gefüllten Auspufftöpfen von Verbrennungsmotoren hat sich eine derartige Wirbelkammerform bewährt.
• Ein besonders einfacher Aufbau dieser ringförmigen Wirbelkarnmer ergibt sich, wenn die Mantelfläche des Kerns oder der Kammer aus zwei an der engsten Stelle des Ringraumes aneinanderstoßenden Kegelstumpfmantelflächen mit verschiedenem Neigungswinkel aufgebaut ist, während die gegenüberliegende Begrenzungsfläche des Ringraumes eine Kegelstumpfmantelfläche mit konstantem Neigungswinkel ist.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen erläutert.
• Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Wirbelkammer gemäß der Erfindung in teilweise räumlicher Darstellung; F i g. 2 ist ein Längsschnitt durch eine Wirbelkarnmer mit einer anderen Lage des Eintrittsstutzens; F i g. 3 ist ein Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform der WirbelkarnTner in teilweise räumlicher Darstellung; F i g. 4 ist ein halber Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Wirbelkammer; F i g. 5 ist ein halber Axialschnitt durch ein noch anderes Ausführungsbeispiel der Wirbelkammer. Bei der in F ig. 1 dargestellten Wirbelkammer ist die Achse Y-Y des tangentialen Eintrittsstutzens 1 gegen eine zur Achse X-X des kegelstumpfförmigen Mantels 2 der Kammer senkrechte Ebene um einen Winsel a geneigt.
• Y ist die Austrittsgeschwindigkeit in die Wirbelkammer an der Mündung des Stutzens 1; diese teilt sich in zwei Geschwindigkeitskomponenten auf, und zwar in eine Komponente Vt senkrecht zur Achse X-X (unter Erzeugung einer Zentrifugalkraft F, senkrecht zur Achse) und eine Komponente Y" parallel zur Achse X-X. Wenn der Winkel oc gleich Null ist (F i g. 2), ist Y gleich Vt, und nur die Zentrifugalkraft F, ist wirksam. Diese Kraft F, zerlegt sich wiederum in eine auf die Wände einwirkende Druckkraft F, und in eine Translationskraft F". Anstatt ihre kinetische Energie durch plötzliche Entspannung in einem Hohlraum zu verlieren, wie dies bei Strömungen in den üblichen Systemen der Fall ist, erfolgt eine fortschreitende Abnahme der Geschwindigkeit durch eine beträchtliche Reibung an den Wänden, was den Wärmeaustausch zwischen dem Strömungsmittel und seiner Umgebung begünstigt. Es ergibt sich das allgemeine Prinzip, daß die Translationskraft F" immer in der Richtung der erzwungenen Strömung --des Strömungsmittels wirkt, d. h. von der kleinen Basis 2 a des Kegelstumpfes zur großen Basis 2 b. Die Strömung findet an der Wand statt, wo die Geschwindigkeit am höchsten ist.
• Wenn ein Gegen- oder Staudruck im tangentialen Auslaßstutzen 3 (F i g. 1) entsteht, kann dieser sich nicht rückwärts die Wände entlang und darüber hinaus ausbreiten, denn die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gegendruckwelle V, bewirkt eine Zerlegung von V, in die Geschwindigkeitskomponenten V#". und VS", und zwar im allgemeinsten Fall senkrecht und parallel zur Achse X-X des Kegelstumpfes.
• Y" bewirkt eine Zentrifugalkraft F" die sich -in eine Druckkraft auf die Wände F, und eine Translationskraft F", zerlegt und die im Sinne der Hauptströmung gerichtet ist. Die Translationsgeschwindigkeit V", wird, wenn sie das Strömungsmittel -in der der Hauptströmung entgegengesetzten Richtung zurücklaufen läßt, sehr schnell auf Null abnehmen, denn mit dem Abnehmen des Radius des Kegelstumpfes nimmt die Geschwindigkeit der Strömung zu, und daraus folgt eine erhöhte Bedeutung von F", bis schließlich das Gleichgewicht wiederhergestellt ist. Die verschiedenen tangential möglichen Ausrichtungen des Eintrittsstutzens 1 und des Austrittsstutzens 3 ermöglichen eine beliebige Ab- änderung der Parameter der Strömung, entweder um die Strömung zu erleichtern -oder sie zu erschweren (Sperrkreis). Das bedeutet, daß je nach dem erwünschten Ziel der tangentiale Eintritt und eventuell selbst der tangentiale Ausgang jeden Winkel mit der Achse des Hohlraumes annehmen kann.
• Bei der Anordnung nach F i g. 3 ist in der kegelstumpfförmigen Wirbelkarnmer 4 ein Kern 5 vorgesehen, der aus zwei Kegelstümpfen 5 a und 5 b gebildet wird. Der Einlaßstutzen 1 und der Auslaßstutzen 3 münden in einen von der Mantelfläche der Wirbelkammer und dem Kern 5 begrenzten Ringraum nahe der kleinen und der großen Basis der Wirbelkammer. Der Verlauf der Strömung ist durch Pfeile dargestellt.
• Gemäß F i g. 4 ist die Mantelfläche der Wirbel-kammer aus zwei aneinanderstoßenden Kegelstumpfmantelflächen 4 a und 4 b zusammengesetzt, während der Kein 5 durch einen geraden Kegelstumpf gebildet ist.
• Nach F i g. 5 ist an der Stoßstelle der Kegelstumpfmantelflächen eine zusätzliche Einschnürung der ringförmigen Wirbelkammer vorgesehen.
• Die radialen Breiten S, am Eintritt, S, an der engsten Stelle und S, am Ausgang des ringförmigen Wirbelraumes sind so gewählt, daß an der engsten Stelle ein Unterdruck entsteht, der in bekannter Weise zum Ansaugen eines sekundären Strömungsmittels benutzt werden kann.
• Die erfindungsgemäßen Wirbelkammern können in die Ansaug- oder Auspuffleitungen von Verbrennungsmotoren als Schwingungsdämpfer eingebaut werden. Dabei kann die Wirbelströmung in der Kammer auch dazu benutzt werden, einen unerwünschten Gegendruck am Ein- und Auslaß des Zylinders zu verhindern oder die Gase durch unmittelbaren Kontakt des Strömungsmittels mit den Wänden abzukühlen oder zu erhitzen. Es ist dabei auch möglich, die Wirbelkammern bei der katalytischen Oxydation der Auspuffgase von Kraftfahrzeugen zu verwenden, um die Zeit der Berührung mit dem Katalysator zu verlängern und ein Einströmen der Gase in die Masse des Katalysators zu vermeiden.

Claims (2)

1. Patentanspräche: 1. Wirbelkarnmer zur Dämpfung von Schwingungen und Pulsationen des strömenden Mediums in Rohrleitungen, insbesondere in Ansaug- oder Auspuffleitungen von Verbrennungsmotoren, mit einem näher der Achse der rotationssymmetrischen Kammer mündenden Eintrittsstutzen und einem in größerer Entfernung von der Achse etwa tangential aus der Kammer führenden Auslaßstutzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer (2) in an sich bekannter Weise kegelstumpfförmig ausgeführt ist und der Ein- bzw. Auslaßstutzen (1 bzw. 3) in der Nähe der kleinen bzw. großen Basisfläche (2a bzw. 2b) etwa tangential zur Kegelstumpfmantelfläche in die Kammer münden, wobei der Neigungswinkel (a) des Einlaßstutzens (1) gegen eine zur Achse X-X der Wir-belkammer senkrechte Ebene die Verweilzeit des strömenden Mediums in der Wirbelkamnier bestimmt.
2. 2. Wirbelkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wirbelkammer (4) in an sich bekannter Weise ein Kern (5) angeordnet ist, der zusammen mit der Mantelfläche der Kammer einen Raum mit ringförmigem Querschnitt begrenzt, wobei sich die radiale Breite seines ringförmigen Querschnitts von einer Anfangsbreite (SO) an der kleinen Basisfläche der Kammer bis zu einer engsten Stelle (S1) verringert und sich anschließend bis zur großen Basisfläche wieder auf eine Endbreite (S2) vergrößert. 3. Wirbelkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Kerns (F i g. 3) oder der Kammer (F i g. 4) aus zwei an der engsten Stelle (S1) des Ringraumes aneinanderstoßenden Kegelstumpfmantelflächen (5a, 5b bzw. 4a, 4b) mit verschiedenem Neigungswinkel aufgebaut ist, während die gegenüberliegende Begrenzungsfläche (4 bzw. 5) des Ringraumes eine Kegelstumphnantelfläche mit konstantem Neigungswinkel ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 134 360, 330 104, 507 713, 842 310, 971622; deutsche Auslegeschrift Nr. 1079 259; britische Patentschrift Nr. 664 467; USA.-Patentschriften Nr. 1952 281, 2 017 043, 2307694.