DE19924870A1 - Saugrohr für die Ansaugluft von Brennkraftmaschinen mit Entlastungsstelle für Druckwellen - Google Patents
Saugrohr für die Ansaugluft von Brennkraftmaschinen mit Entlastungsstelle für DruckwellenInfo
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Abstract
Es wird ein Saugrohr für die Ansaugluft von Brennkraftmaschinen vorgeschlagen, welches eine Entlastungsstelle in Form einer Berstgeometrie 15 für Back-Fire-Stöße im Saugrohr aufweist. Im Falle eines Back-Fires wird die Berstgeometrie unter Versagen von Schwachstellen 17, 18, 24 in das Verpuffungsvolumen 14, 14a hineingeschleudert, wodurch ein Abbau der Energie der Back-Fire-Druckwelle erfolgt. Dadurch werden weitere Schäden am Saugrohr verhindert, so daß die Notlaufeigenschaften der Brennkraftmaschine erhalten bleiben. Die vorgeschlagenen Entlastungsstellen weisen eine hohe Funktionszuverlässigkeit unabhängig vom Betriebszustand, insbesondere der Betriebstemperatur, der Brennkraftmaschine auf.
Description
Die Erfindung betrifft ein Saugrohr für die Ansaugluft von Brennkraftmaschinen,
welches eine Entlastungsstelle im Saugrohr für vom Zylinder kommenden
Druckwellen aufweist, nach der Gattung des Patentanspruches 1.
Derartige Entlastungsstellen für Saugrohre sind allgemein bekannt. Die
Entlastungsstellen dienen zum gezielten Abbau der in Druckwellen durch
sogenannte Back-Fire enthaltenen Energie. Die Back-Fire sind Flammrückschläge,
die ausgehend von den zylinderseitigen Einlässen des Saugrohres in die
Luftführungskanäle des Saugrohres hineinreichen. Die Gefahr eines Auftretens
dieser Erscheinung besteht vor allen Dingen, wenn die Brennkraftmaschine mit einer
großen Steuerzeitenüberschneidung der Ventile arbeitet. Das Back-Fire besteht
dann aus einem bereits gezündeten Anteil des im Zylinder befindlichen Kraftstoff-
Luftgemisches. Vor allen Dingen bei der Verwendung von Kunststoffsaugrohren
können die Back-Fire zu einer Zerstörung der Saugrohrstruktur führen. Dadurch wird
die Funktion der Brennkraftmaschine ernsthaft gefährdet, da durch das zerstörte
Saugrohr von der Brennkraftmaschine ungefilterte Nebenluft angesaugt werden
kann. In diesem Fall kann weder die Versorgung der Brennkraftmaschine mit
Ansaugluft des geforderten Reinheitsgrades noch die Einhaltung von Grenzwerten
hinsichtlich der Schadstoffemission der Brennkraftmaschine gewährleistet sein.
Um diese Problematik zu beheben und damit die Notlaufeigenschaften der
Brennkraftmaschine im Falle eines Back-Fires zu garantieren kann zum Beispiel ein
Ventil in die Saugrohrwand eingebaut werden. Dieses besteht aus einem Gummipilz,
welches die Funktion eines Ventils übernimmt, wobei dieses im normalen
Betriebszustand der Brennkraftmaschine geschlossen ist. Im Falle eines Back-Fires
dehnt sich die Druckwelle im Saugrohr aus und öffnet den Gummipilz, der in diesem
Falle als Überdruckventil arbeitet. Auf diese Weise kann der Überdruck in der
Umgebung der Brennkraftmaschine abgebaut werden, so daß ein Bauteilversagen
unwahrscheinlicher wird.
Für eine zuverlässige Arbeitsweise der Entlastungsstelle ist jedoch ein genügender
Querschnitt zum Durchlaß der Druckwelle erforderlich. Dieses kann durch ein
gummipilzförmiges Ventil nicht gegeben werden, da die zuverlässige Funktion des
Ventils oberhalb bestimmter Bauteilabmessungen nicht mehr garantiert werden
kann. Man könnte nun mehrere Ventile vorsehen, was aber einen zusätzlichen
Bauaufwand bedeuten würde. Ein weiterer Nachteil des Überdruckventils hat
strömungstechnische Ursachen. Die Geometrie des Gummipilzes und der
zugehörigen Auslaßöffnung stört die Innenkontur des Saugrohrs, wodurch es zu
Verwirbelungen kommt die die Strömungsverluste der Ansaugluftströmung erhöhen.
Insbesondere in der Nähe der zylinderseitigen Austritte des Saugrohres, also dem
Entstehungsort der Back-Fires, ist aber eine Störung der Ansaugluftströmung nicht
vertretbar, wenn eine gezielte Erzeugung von Wirbeln in den Brennräumen der
Zylinder erzielt werden soll. Also muß der Gummipilz vom Entstehungsort des Back-
Fires entfernt angebracht werden, wodurch seine Wirkung vermindert wird.
Ein weiterer Nachteil entsteht durch die Verwendung eines elastischen Materials zur
Erzeugung eines kostengünstigen Überdruckventils. Die elastischen Eigenschaften
sind stark abhängig von der Temperatur, so daß eine konstante Funktion des
Gummipilzes unabhängig von Betriebstemperatur des Motors und Außentemperatur
nicht gewährleistet werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Entlastung für Druckwellen in einem Saugrohr zu
schaffen, welche die Funktion der Erhaltung der Notlaufeigenschaften der
Brennkraftmaschine zuverlässig und wirksam gewährleistet. Diese Aufgabe wird
durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Saugrohr, welches in bekannter Weise die Durchleitung der
Ansaugluft ermöglicht, weist als Entlastungsstelle eine Berstgeometrie auf, die in
einem Wandabschnitt des Saugrohres untergebracht ist. Diese Berstgeometrie
mündet in ein Verpuffungsvolumen. Im Falle eines Back-Fires und einer Zerstörung
der Berstgeometrie wird das Verpuffungsvolumen zum Abbau der Energie der
Druckwelle genutzt. Die Gesamtstruktur des Saugrohres bleibt daher unverändert
bestehen, wobei das Verpuffungsvolumen einen nach außen hin abgeschlossenen
Raum darstellt, so daß das Gesamtsystem auch nach dem Aufbrechen der
Berstgeometrie noch ein geschlossenes System darstellt. Auf diese Weise sind die
Notlaufeigenschaften der Brennkraftmaschine gegeben, wenn auch der Schadensfall
sich durch einen veränderten Ladungswechsel der Brennkraftmaschine bemerkbar
macht. In jedem Fall kann das Fahrzeug mit dem beschädigten Saugrohr aus
eigener Kraft bis zur nächsten Werkstatt bewegt werden.
Die Berstgeometrie kann integraler Bestandteil der Wandungen des Saugrohres sein
oder als gesondertes Teil mit diesem verbunden sein. Es bietet sich zum Beispiel an,
die Berstgeometrie aus einem Deckel zu fertigen, der in eine zugehörige Öffnung in
der Saugrohrwandung eingeklebt wird. Die Klebeverbindung ist dann als die
Sollbruchstefle ausgeführt, so daß ein Back-Fire dazu führt, daß der Deckel aus der
Öffnung ausgelöst und in das Verpuffungsvolumen geschleudert wird.
Das Verpuffungsvolumen kann an beliebigen Stellen des Saugrohres angebracht
werden. Besonders sinnvoll sind jedoch Stellen, die nahe am Entstehungsort des
Back-Fires liegen. Die Berstgeometrie kann dann in die Wandung der Saugkanäle
zu den Zylindern eingebaut werden. Eine andere Möglichkeit ist die Anordnung des
Verpuffungsvolumens im Sammelraum gegenüber den Austritten aus dem
Sammelraum in die Saugkanäle des Saugrohres. Ein sich ausbreitendes Back-Fire
wird dann entlang der vergleichsweise stabilen Saugkanäle geleitet und trifft im
Sammelraum auf die Berstgeometrie, die dadurch zerstört wird.
Wird der Wandabschnitt durch einen eingeklebten Deckel gebildet, so ist es
vorteilhaft diesen sowie die zugehörige Einbauöffnung konisch auszuführen, so daß
der Deckel nur von der Seite des Verpuffungsvolumens eingesetzt werden kann.
Hierdurch ist die Aussprengrichtung des Deckels in das Verpuffungsvolumen hinein
eindeutig definiert. Ist der Deckel kreisförmig ausgeführt, so ist zusätzlich
gewährleistet, daß dieser nach einem Herausspringen nicht aus dem
Verpuffungsvolumen in das Saugrohr hineingelangen kann, wo dieser zu einer
Beeinträchtigung der Luftführung führen könnte.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn der Wandabschnitt durch
eine gezielte Schwächung im Verhältnis zu seiner Wandumgebung gebildet wird. Er
kann dann einteilig mit dem Saugrohr hergestellt werden, zum Beispiel als Gußteil.
Die Schwächung der Wandung führt dann zu einem Versagen des Saugrohres an
genau dieser Stelle im Falle eines Back-Fires. Vorteilhaft wird die Schwächung des
Wandabschnittes durch eine Furche gebildet, die entlang einer Rißkante der
Berstgeometrie verläuft. Wird die Furche ringförmig zusammengeschlossen, so
bildet sich dadurch eine deckelartige Struktur, die durch das Back-Fire
herausgesprengt werden kann.
Eine unter strömungstechnischen Gesichtspunkten besonders günstige
Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß sich die Furche auf der dem
Saugrohrinneren abgelegenen Seite der Wandung befindet, also auf der Seite des
Verpuffungsvolumens. Die Innenkontur des Saugrohrs kann durch Vorsehen der
Berstgeometrie völlig unbeeinflußt bleiben, so daß dessen Strömungseigenschaften
die gleichen sind, wie bei einem Saugrohr ohne Berstgeometrie.
Um eine zuverlässige Funktion des Saugrohrs nach der Zerstörung der
Berstgeometrie zu gewährleisten kann der Wandabschnitt zweckmäßigerweise
einen verstärkten Verbindungsbereich zur umgebenden Wandung des Saugrohrs
aufweisen. Während der Wandabschnitt entlang der Rißkante aus der
Saugrohrwandung herausgerissen wird, bleibt der verstärkte Bereich bestehen,
wobei er wie ein Scharnier ausgebildet sein kann. Der Wandabschnitt bleibt an
diesem Scharnier dann hängen und kann nicht in das Saugrohr gelangen, wo er die
Saugrohrströmung negativ beeinflussen würde. Insbesondere, wenn die Furche
ringförmig zusammengeschlossen ist, kann der verstärkte Bereich durch eine
Änderung der Furchengeometrie erzeugt werden. Diese muß dahingehend erfolgen,
daß in dem verstärkten Bereich die Wandstärke größer ist, als im Bereich der
Furche.
Eine besonders günstige Geometrie des Wandabschnittes ergibt sich, wenn die
Furche eine ovale Form erhält. Das gewünschte Versagen der Furche im Falle eines
Berstens kann bei dieser Geometrie sehr gut vorhergesagt werden. Dadurch wird die
Funktionszuverlässigkeit der Berstgeometrie positiv beeinflußt. Eine eventuelles
Auftreten von Spannungsspitzen bei der Belastung eines eckigen Deckels werden
vermieden. Selbstverständlich lassen sich diese Vorteile auch mit einem
kreisförmigen Wandabschnitt erzielen, der in diesem Sinne als Sonderfall des ovalen
Wandabschnitts verstanden werden soll.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Wandabschnitt mit
einer Knickfurche versehen werden. Diese durchläuft die Fläche des
Wandabschnittes, wodurch dieser gezielt geschwächt werden kann. Die Furche
verläuft bevorzugt entlang einer Geraden und von einem Rand des Wandabschnitts
zum anderen. Die Wirkung einer solchen Knickfurche ist mit einem Scharnier zu
vergleichen, wodurch ein Herauslösen des Wandabschnittes im Falle eines Berstens
unterstützt wird. Es können aber auch mehrere Knickfurchen vorgesehen werden,
die sich auch kreuzen können. Das Berstverhalten des Wandabschnittes läßt sich
auf diese Weise optimal beeinflußen, wodurch ein unproblematischer Abbau der
Druckwelle in das Verpuffungsvolumen hinein gewährleistet ist.
Gemäß einer Modifikation der Erfindung kann das Verpuffungsvolumen gleichzeitig
eine weiteren Aufgabe erfüllen. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden,
daß das Verpuffungsvolumen Öffnungen zum Saugrohrinneren hin aufweist. Auf
diese Weise kann der Leerraum mit dem Saugrohrinneren korrespondieren wodurch
sich das Ansauggeräusch gezielt dämpfen läßt. Es ist hier insbesondere an die
Nutzung des Verpuffungsvolumen als Resonanzraum gedacht. Derartige
Resonanzräume sind aufgrund akustischer Anforderungen an das Saugrohr häufig
sowieso vorhanden. In solchen Fällen bedeutet die Nutzung dieses Hohlraumes als
Verpuffungsvolumen keinen zusätzlichen fertigungstechnischen Aufwand. Auch wird
kein zusätzliches Volumen im Bauraum der Brennkraftmaschine benötigt.
Eine andere Möglichkeit ist die Nutzung des Verpuffungsvolumens als
Unterdruckspeicher, wobei dieser für die Betätigung von anderen
Motorkomponenten benötigt wird. Der im Verpuffungsvolumen anliegende
Unterdruck steigert gleichzeitig die Wirkung der Berstgeometrie im Versagensfall, da
im Verhältnis zum im Saugrohr herrschenden Druck ein größerer Anteil der Back-
Fire-Druckwelle abgefangen werden kann.
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.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen
erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 den Schnitt durch ein Saugrohr mit Verpuffungsvolumina entlang eines
der Saugkanäle und
Fig. 2 die Aufsicht auf die Berstgeometrie entsprechend der Ansicht A in
Fig. 1,
Fig. 3 die Aufsicht auf eine Berstgeometrie mit ovaler Furche
Fig. 4 den Schnitt A-A gemäß Fig. 3.
Die Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Saugrohres mit Verpuffungsvolumina. Die Luft
tritt durch einen Einlaß 10 in einen Sammelraum 11 ein, von wo aus sie durch
Saugkanäle 12 zu zylinderseitigen Austritten 13 geleitet wird, um dort nicht
dargestellte Einlaßventile zu passieren. Die Fließrichtung der Luft im Normalbetrieb
der Brennkraftmaschine ist durch einen durchgezogenen Pfeil gekennzeichnet.
Die Richtung des Back-Fires ist durch gestrichelte Pfeile gekennzeichnet. Ein
Verpuffungsvolumen 14 ist angrenzend an die Saugkanäle 12 angeordnet. In der
gemeinsamen Wandung zwischen Verpuffungsvolumen 14 und Saugkanal 12 ist
eine Berstgeometrie 15 untergebracht. Diese besteht aus einem Wandabschnitt 16
der durch eine Furche 17 umrandet ist (siehe auch Fig. 2). Auf einer Seite des
Wandabschnitts, der rechteckig ausgeführt ist, verjüngt sich die Furche zu einem
Verbindungsbereich 18, so daß hier eine größere Wandstärke als im Bereich der
Furche vorliegt. Im Falle eines Versagens der Berstgeometrie reißt die Furche auf,
wobei sich in deren Bereich eine Rißkante 19 bildet, und der Wandabschnitt klappt
entlang des Verbindungsbereiches 18 in das Verpuffungsvolumen 14 hinein.
Dadurch kann sich die Druckwelle des Back-Fires auch in diesen Hohlraum
ausdehnen, wodurch das restliche Saugrohr unbeschädigt bleibt.
Das Verpuffungsvolumen 14 wird gleichzeitig als Unterdruckspeicher benutzt. Hierzu
ist an dessen Wand ein Schlauchstutzen 20 angebracht, über den der
Unterdruckspeicher mit einem nicht dargestellten Schlauchsystem zur Betätigung
unter Druck gesteuerter Schaltkomponenten des Motors verbunden ist.
Ein weiteres Verpuffungsvolumen 14a ist an den Sammelraum 11 angrenzend
gegenüber von Eingängen 21 der Saugkanäle 12 untergebracht. Eine Trennwand 22
zwischen Sammelraum 11 und Verpuffungsvolumen 14a ist mit einem konischen
Deckel 23 versehen, welcher den Wandabschnitt 16 der Berstgeometrie 15 bildet.
Dieser Deckel ist über eine Klebefuge 24 in die zugehörige Einbauöffnung
eingesetzt, wobei die Druckwelle eines Back-Fires zum Versagen dieser
Klebeverbindung führt. Dadurch wird der Deckel in das Verpuffungsvolumen 14a
geschleudert.
Der Deckel ist weiterhin mit Öffnungen 25 versehen, so daß das
Verpuffungsvolumen 14a gleichzeitig als Resonanzraum im Normalbetrieb der
Brennkraftmaschine wirkt. Die Öffnungen bilden die Hälse eines
Helmholzresonators.
Die Wandabschnitte 16 sind derart in die Saugrohrwandungen eingepaßt, daß eine
Luftführungsgeometrie 26, die durch die Innenwände des Saugrohres gebildet wird,
im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine nicht durch Strömungshindernisse
beeinflußt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Furche 17 sowie der
Verbindungsbereich 18 auf der Seite des Verpuffungsvolumens 14 in die Wand
eingebracht sind und der Deckel 23 derart in die konische Einbauöffnung eingesetzt
ist, daß die Wandteile entlang der Klebefuge 24 eben verlaufen.
Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel für den Wandabschnitt 16 mit ovaler Form. Dieser ist
mit der Furche 17 umgeben, die einen konstanten V-förmigen Querschnitt aufweist.
Entlang des langen Durchmessers des Ovals verläuft eine Knickfurche 27, die die
Furche 17 auf sich gegenüberliegenden Seiten berührt.
Die Wirkungsweise der Knickfurche 27 läßt sich Fig. 4 entnehmen. Im Falle eines
Berstens wird der Wandabschnitt in Richtung der angedeuteten Pfeile aus der Wand
herausgesprengt. Dabei wirkt die Knickfurche 27 wie ein Scharnier, welches zu einem
Zusammenfalten des Wandabschnittes führt. Dabei wird der Wandabschitt 16
zumindest teilweise in der Furche 17 vom restlichen Saugrohr getrennt, so daß sich
die Rißkante 19 ergibt, die an einem gestrichelt dargestellten geborstenen Zustand
angedeutet ist. Durch die sich so ergebende Öffnung kann die Druckwelle abgebaut
werden. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die Furche 17 sowie die
Knickfurche 27 auf der der Luftführungsgeometrie 26 abgewandten Seite der
Wandung angebracht.
Claims (11)
1. Saugrohr für die Ansaugluft von Brennkraftmaschinen, welches einen Einlaß (10)
und mindestens einen zylinderseitigen Austritt (13) für die Ansaugluft sowie eine
Luftführungsgeometrie (26), welche Einlaß und Austritt miteinander verbindet,
aufweist, wobei eine Entlastungsstelle im Saugrohr für vom Austritt (13) ausge
hende Druckwellen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Entla
stungsstelle aus einer Berstgeometrie (15) in einem Wandabschnitt (16) des
Saugrohres, an den ein Verpuffungsvolumen (14, 14a) angrenzt, besteht.
2. Saugrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berstgeometrie
einen Deckel (23) enthält, welcher in eine zugehörige Einbauöffnung in der Saug
rohumrandung eingebaut ist.
3. Saugrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (23) eine
konische Form aufweist, die sich zum Saugrohrinneren hin verjüngt.
4. Saugrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berstgeometrie
(15) durch eine Schwächung des Wandabschnittes (16) im Verhältnis zu seiner
Umgebung gebildet ist.
5. Saugrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwächung aus
einer Furche (17) besteht, die den Wandabschnitt (16) entlang einer Rißkante
(19) begrenzen.
6. Saugrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Furche (17) auf der der Luftführungsgeometrie (26) abgekehrten Seite der
Wandung angebracht ist.
7. Saugrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wandabschnitt (16) einen verstärkten Verbindungsbereich (18) zur umgeben
den Wandung des Saugrohres aufweist.
8. Saugrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wandabschnitt eine ovale Form aufweist.
9. Saugrohr nach einer der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
auf der Fläche des Wandabschnittes mindestens eine Knickfurche (27) vorgese
hen ist.
10. Saugrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verpuffungsvolumen (14a) über Öffnungen (25) mit der Luftführungsgeome
trie (26) korrespondiert.
11. Saugrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verpuffungsvolumen (14) als Unterdruckspeicher mit mindestens einem Un
terdruckanschluß (20) ausgeführt ist.
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