DE19855805A1

DE19855805A1 - Rohrkrümmer

Info

Publication number: DE19855805A1
Application number: DE1998155805
Authority: DE
Inventors: Rolf Fueser
Original assignee: Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2000-06-08
Also published as: WO2000032923A1

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

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

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.