DE2921736C2

DE2921736C2 -

Info

Publication number: DE2921736C2
Application number: DE2921736A
Authority: DE
Inventors: James J. Chula Vista Calif. Us Feuling
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-05-30
Filing date: 1979-05-29
Publication date: 1992-03-05
Also published as: US4206600A; GB2021688A; DE2921736A1; JPS54156922A; GB2021688B; JPS5749728B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Auspuffvorrichtung für eine einen Auslaßkanal aufweisende Viertakt-Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine.

Über Jahre hinweg sind große Anstrengungen unternommen worden, um den Wirkungsgrad und die Leistungsabgabe von Viertaktmotoren, insbesondere Rennmotoren, zu verbessern. Verbesserungen an Motorteilen und das sog. "super tuning" von Verbrennungskraftmaschinen haben zu Rennmotoren geführt, die spezifische Leistungen von über 45 kW pro Liter Hubvolumen erreichen. Diese Motoren sind bis zu einem Zustand perfektioniert worden, bei dem verhältnismäßig kleine Verbesserungen nur noch sehr schwer zu erreichen sind.

Durch speziell abgestimmte Auspuffsysteme ist es möglich gewesen, erhebliche Leistungssteigerungen, insbesondere bei hochtourigen Rennmotoren zu erreichen. Dabei sind es zwei spezielle Wirkungen, die beim "tuning" von Auspuffsystemen nutzbar gemacht werden. Die erste besteht in dem Extraktions- oder Saugeffekt, welcher als Folge der Trägheit der Auspuffgase entsteht und die Auspuffgassäule in weiterer Bewegung durch das Auspuffrohr nach außen hält, auch wenn der Ausblashub des Kolbens bereits beendet ist. Die Stärke dieses Saugeffektes hängt von der Länge und dem Durchmesser der Ausblaskanäle ab. Der Durchmesser legt dabei fest, wie schnell sich die Gase bewegen, und die Länge bestimmt die Länge der Auspuffgassäule. Lange Gassäulen mit hoher Geschwindigkeit weisen ein größeres Beharrungsvermögen auf und neigen dazu, den größten Sog auszuüben, mit dem Restgase aus dem Zylinder während des Ausblastaktes abgezogen werden.

Die zweite Wirkung steht in Verbindung mit der Bewegung von Druckwellen innerhalb des Auspuffsystems. Diese Druckwellen pflanzen sich mit Schallgeschwindigkeit fort und bestehen aus verdichteten und verdünnten Gasbereichen. Wenn eine positive Druckwelle, die durch den die Gase aus dem Zylinder ausstoßenden Kolben erzeugt wird, sich zum Ende des Auspuffrohres hin bewegt und in die Atmosphäre austritt, wird eine negative Druckwelle (oder ein leichtes Vakuum) erzeugt, die sich entgegen der Strömungsrichtung ins Auspuffrohr zurückbewegt. Im Idealfall sollte die Länge des Auspuffsystems derart bemessen sein, daß eine negative Welle wieder am Ausblasventil der Maschine eintrifft, unmittelbar bevor das Ventil schließt, so daß das geringfügige Vakuum der negativen Druckwelle dazu beitragen kann, die letzten Abgase aus dem Zylinder abzusaugen.

Die Länge des Auspuffrohres, die zu einem optimalen Saugeffekt durch die negative Druckwelle führt, kann nach der folgenden empirischen Formel ermittelt werden:

worin L die Länge des Rohres in Zentimeter vom Ventilkopf bis zum äußersten Ende, N die gewünschte Spitzendrehzahl in Umdrehungen pro Minute und V die Geschwindigkeit der Druckwelle in dem Auspuffgas in Meter pro Sekunde ist. Bei üblichen Temperaturen und atmosphärischem Druck beträgt V etwa 518 m/sec. Bei einem Rennmotor liegt die Drehzahl N bei etwa 7000 Upm. Daraus ergibt sich eine optimale Rohrlänge von etwa 74 cm. Bei einer Leerlaufdrehzahl von ungefähr 1000 Upm müßte dagegen die optimale Rohrlänge etwa 518 cm betragen. Wenn daher bei einer Rohrlänge von 74 cm die Drehzahl gegenüber der hohen optimalen Motordrehzahl absinkt, führt dies dazu, daß die Druckwellen außer Phase mit der Maschine kommen und anstatt Gas aus dem Zylinder abzusaugen, das Gas in den Zylinder zurückdrücken, wodurch die Maschine zu stottern anfängt und in ihrer Leistung absinkt. Darin liegt ein ernsthaftes Problem, insbesondere bei solchen Maschinen, die über einen weiten Drehzahlbereich mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden sollen.

Es sind Versuche unternommen worden, den Wirkungsgrad von Auspuffsystemen dadurch zu verbessern, daß man die Gase durch eine kurze Düse in ein verhältismäßig großes Volumen ausströmen läßt, welches mit dem Auspuffendrohr in Verbindung steht. Ein derartiges, jedoch für eine Zweitaktmaschine vorgesehenes System ist in der US-PS 21 68 528 beschrieben. Während dieses System für eine Zweitaktmaschine einige Vorteile mit sich bringen mag, scheint es jedoch für eine Viertaktmaschine mit hohem Wirkungsgrad ungeeignet. Das große Volumen, in das die kurze Ausblasdüse mündet, wirkt ähnlich wie die äußere Atmosphäre und erzeugt unmittelbar eine negative Druckwelle. Wie oben bereits erläutert, erreicht diese Druckwelle nur für einen sehr begrenzten Drehzahlbereich den Zylinder zum rechten Zeitpunkt. Auch ist das kurze Rohr bis zu der Düse nicht lang genug, um den weiter oben beschriebenen, erwünschten Saugeffekt zu erzeugen.

In der französischen Patentschrift 8 18 457 ist ein für Verbrennungskraftmaschinen geeignetes Auspuffsystem dargestellt, bei dem in den Zylinderkopf zwischen dem Auslaßventil und der Zylinderkopf-Auslaßöffnung mehrere ringförmige Taschen eingearbeitet sind. In diesen Taschen sollen sich die Randbereiche der rückläufigen negativen Druckwelle totlaufen. Damit bleibt am Auslaßventil nur der zentrale Bereich der negativen Druckwelle für den Saugeffekt wirksam. Nachteilig ist der hohe Aufwand in der Herstellung eines derartigen Zylinderkopfes. Darüber hinaus bleibt der Saugeffekt nur für eine bestimmte Motordrehzahl wirksam und führt zu einer Leistungsminderung bei anderen Drehzahlen.

Für eine Viertaktmaschine besteht daher nach wie vor der Bedarf für ein verbesertes Hochleistungs- Auspuffsystem, wobei von der Aufgabe ausgegangen wurde, bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung den Saugeffekt und den Effekt der negativen Druckwelle bei einer Brennkraftmaschine über einen großen Motordrehzahlbereich optimal zum Entfernen der Auspuffgase aus dem Zylinder auszunutzen.

Bei der eingangs genannten Auspuffvorrichtung kennzeichnet sich die Lösung der Aufgabe nach der Erfindung durch ein konisch verjüngtes erstes Rohr mit einem größeren Eintrittsende, mit dem es am Zylinderkopf um die Öffnung herum anbringbar ist, und dessen kleineres Austrittsende von der Öffnung weggerichtet ist, und ein mit dem ersten Rohr unter Wahrung eines stetigen Strömungsverlaufs verbundenes zweites Rohr, das mit einem konisch verjüngten Eintrittsabschnitt versehen ist, dessen größeres Eintrittsende das Austrittsende des ersten Rohres umgibt und in Überlappung strömungsdicht unter Bildung einer als solche bekannten ringförmigen Tasche zwischen den beiden Rohren mit dem ersten Rohr verbunden ist, wobei das Volumen der Tasche etwa von 2 bis 12% des Volumens des ersten Rohres beträgt. Damit wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der zurücklaufenden negativen Druckwelle derart verlangsamt, daß der von ihr ausgehende Saugeffekt über einen breiteren Motordrehzahlbereich ausgenutzt werden kann.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen im einzelnen näher beschrieben. Es stellt dar:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt entlang der Achse einer ersten Ausführungsform einer Auspuffvorrichtung sowie durch den zugehörigen Zylinderkopf,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 1, bei der jedoch einige Teile weggelassen wurden,

Fig. 3 eine Ansicht entsprechend Fig. 1 durch eine weitere Ausführungsform einer Auspuffvorrichtung,

Fig. 4 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht der Ausführungsform nach Fig. 3 und

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 4.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Teil eines Zylinderkopfes 10 einer herkömmlichen Viertakt-Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gezeigt. Ein Auslaßventil öffnet und schließt eine Auslaßventilöffnung 14, um Verbrennungsprodukte zwischen Beginn und Ende des Auslaßhubes eines (nicht gezeigten) Kolbens aus dem Zylinderraum 16 ausströmen zu lassen. Wie durch Pfeile innerhalb der Auspuffvorrichtung angedeutet ist, strömen Auspuffgase durch den Auslaßkanal 18 im Zylinderkopf 10 und durch eine Öffnung 20 in die Auspuffvorrichtung 22.

Die Auspuffvorrichtung 22 besteht aus einem ersten im allgemeinen geraden, jedoch gleichzeitig konisch verjüngten Rohr 24 und aus einem daran angebrachten zweiten Rohr 26. Das zweite Rohr 26 weist einen im allgemeinen konisch verjüngten Eintrittsbereich 28 auf, der bei der dargestellten Ausführungsform das Austrittsende des ersten Rohres 24 nur geringfügig überlappt. Die Überlappung ist durch eine Wand 30 verschlossen, mittels derer die Rohre aus aneinander befestigt sind. Die überlappten Rohrabschnitte und die Wand 30 begrenzen zusammen eine ringartige Tasche 32.

Das erste Rohr 24 ist an dem Zylinderkopf 10 mittels eines Flansches 34 angeschraubt. Eine herkömmliche Dichtung 38 befindet sich zwischen dem Flansch 34 und dem Zylinderkopf 10, um Gasdichtheit zu gewährleisten. Das Eintrittsende des ersten Rohres 24 ist etwas größer als die Öffnung 20 im Zylinderkopf, wodurch ein geringfügiges Expansionsvolumen 40 in der Ecke zwischen dem Eintrittsende des ersten Rohres 24 und dem Zylinderkopf 10 gegeben ist. Dieses Volumen 40 und die Tasche 32 zwischen den Rohren ermöglichen eine geringfügige Expansion bzw. Verlangsamung der strömenden Gase, während das konvergierende konische erste Rohr 24 und der Eintrittsabschnitt 28 des zweiten Rohres 26 bewirken, daß die Gasströmung leicht verdichtet und beschleunigt wird. Wie weiter oben bereits ausgeführt, scheinen diese Effekte die positive Druckwelle zu glätten oder zu verlängern, während diese beginnt, sich in der Auspuffvorrichtung nach außen zu bewegen. Dadurch wird die zurückkehrende negative Druckwelle in ähnlicher Weise geglättet oder in ihrer Zeitdauer verlängert, so daß sie über einen weiten Bereich von Motordrehzahlen wirksam wird. Wenn das Eintrittsende des ersten Rohres 24 viel größer als die Öffnung 20 oder die Tasche 32 sehr groß wäre, würde die eintretende positive Druckwelle den gleichen Austrittsschock erleiden, der auftritt, wenn die Auspuffgase aus dem zweiten Rohr 26 das Auspuffende erreichen und in die Atmosphäre austreten. Die große Volumenänderung würde die unmittelbare Ausbildung einer starken negativen Druckwelle bei jeder größeren Expansion erzeugen, die dann zu einem vom optimalen Zeitpunkt verschiedenen Zeitpunkt in den Zylinderraum zurückkehren würde. Zum Erzielen bester Ergebnisse sollte die Querschnittsfläche des Eingangsendes des ersten Rohres 24 etwa zwischen 20 und 50% größer sein als die Fläche der Öffnung 20, während das Volumen der Tasche 32 eine Größe von etwa 2 bis 12% des Volumeninhaltes des ersten Rohres 24 aufweisen sollte und die Querschnittsfläche des Austrittsendes des ersten Rohres 24 etwa 80 bis 90% der Querschnittsfläche der Auslaßventilöffnung 14. Während das erste Rohr 24 jede geeignete Verjüngung aufweisen kann, führt ein Verhältnis von der Länge des ersten Rohres zum Eintrittsdurchmesser des ersten Rohres von etwa 0,8 bis 1,2 zu den besten Ergebnissen. Das Austrittsende des ersten Rohres 24 und die Öffnung 20 im Zylinderkopf sollten etwa die gleiche Querschnittsfläche haben.

Das zweite Rohr 26 kann jeden geeigneten Durchmesser aufweisen. Beste Ergebnisse werden jedoch mit einem Durchmesser erzielt, welcher eine Gasgeschwindigkeit von etwa 76 bis 107 Meter pro Sekunde ermöglicht, wobei beste Ergebnisse im allgemeinen bei einer Gasgeschwindigkeit von etwa 90 Meter pro Sekunde erzielt werden. Der günstigste Durchmesser kann empirisch ermittelt werden, indem man die Gasgeschwindigkeit bei Verwendung von Rohren unterschiedlichen Durchmessers mißt. Auch läßt sich der günstigste Durchmesser mit Hilfe der folgenden Formel annähern:

worin d der Durchmesser des Rohres 26 in cm, P die Kolbengeschwindigkeit in m/sec, D der Kolbendurchmesser in cm und V die erwünschte Gasgeschwindigkeit in m/sec sind.

Die optimale Länge der Auspuffvorrichtung kann durch die empirische Formel L = 10³ V/N ermittelt werden, die bereits weiter oben diskutiert wurde. Da die sich daraus ergebende Länge nur eine Annäherung ist, können Versuche mit etwas längeren und etwas kürzeren Rohren zweckmäßig sein, um das günstigste Ergebnis zu erzielen.

In den Fig. 3 und 4 ist eine zweite Ausführungsform einer Auspuffvorrichtung dargestellt. Wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 strömen die Auspuffgase durch eine Auslaßventilöffnung 114 und einen Auslaßkanal 118 im Zylinderkopf 110 aus dem Zylinderraum 116 in eine Auspuffvorrichtung 122, wenn das Auslaßventil 112 während des Auslaßhubes des (nicht gezeigten) Kolbens im Zylinderraum 116 geöffnet ist. Die Auspuffgase strömen von der Öffnung 120 in das konisch verjüngte erste Rohr 124 und dann durch das zweite Rohr 126 in die Atmosphäre. Bei dieser Ausführungsform überlappt das zweite Rohr 126 (welches zylindrische und konisch verjüngte Abschnitte aufweisen kann) mit einem Eintrittsabschnitt 128 das erste Rohr 124 vollständig. Auf diese Weise wird eine breite, ringartige Tasche 132 zwischen den Rohren gebildet. Bei dieser Ausbildung sind beide Rohre 124 und 126 unmittelbar am Flansch 134 befestigt, um die Steifigkeit zu erhöhen. Da das Volumenverhältnis zwischen der Tasche 132 und dem ersten Rohr 124 das gleiche sein soll wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1, kann das zweite, äußere Rohr 126 im Überlappungsbereich mit dem inneren, ersten Rohr 124 bei gleichem Volumen der Tasche 132 im Durchmesser geringer gehalten werden. Wo mehrere Auspuffrohre dicht nebeneinander angeordnet sind, könnte diese Ausführung mit geringerem Durchmesser zweckmäßiger sein. Wie in Verbindung mit Fig. 1 bereits beschrieben, könnte auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Eintrittsöffnung des ersten Rohres 124 in ähnlicher Weise etwas größer sein als die Öffnung 120, um ein Eckvolumen 140 zu bilden. Wie aus den Fig. 4 und 5 hervorgeht, kann das zweite äußere Rohr 126 an seinen Seiten bei 142 abgeflacht sein, um eine dichte Anordnung der Schrauben zu ermöglichen, mit denen der Flansch 134 unter Zwischenfügung einer Dichtung 138 am Zylinderkopf 110 gehalten ist.

Während das erste Rohr 124 und der Eintrittsabschnitt 128 des zweiten Rohres 126 im Durchschnitt eine nahezu konische Verjügung aufweisen, können sie, falls erwünscht, dennoch mit zylindrischen Abschnitten wie beispielsweise den Abschnitten 144 und 146 versehen sein.

Claims

1. Auspuffvorrichtung für eine einen Auslaßkanal aufweisende Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch ein konisch verjüngtes erstes Rohr (24) mit einem größeren Eintrittsende, mit dem es am Zylinderkopf (10) um die Öffnung (20) herum anbringbar ist,und dessen kleineres Austrittsende von der Öffnung (20) weggerichtet ist, und ein mit dem ersten Rohr (24) unter Wahrung eines stetigen Strömungsverlaufs verbundenes zweites Rohr (26), das mit einem konisch verjüngten Eintrittsabschnitt (28) versehen ist, dessen größeres Eintrittsende das Austrittsende des ersten Rohres (24) umgibt und in Überlappung strömungsdicht unter Bildung einer als solche bekannten ringförmigen Tasche (32) zwischen den beiden Rohren (24, 26) mit dem ersten Rohr (24) verbunden ist, wobei das Volumen der Tasche (32) etwa von 2 bis 12% des Volumens des ersten Rohres (24) beträgt.

2. Auspuffvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Austrittsende des ersten Rohres (24) eine Querschnittsfläche hat, die in etwa 80% bis 90% der Querschnittsfläche der Auslaßventilöffnung (14) beträgt.

3. Auspuffvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Eintrittsendes des ersten Rohres (24) um etwa 20% bis 50% größer ist als die Fläche der Öffnung (20) im Zylinderkopf (10).

4. Auspuffvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge des ersten Rohres (24) zu Durchmesser des Eintrittsendes des ersten Rohres (24) etwa 0,8 bis 1,2 beträgt.

5. Auspuffvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des zweiten Rohres (26) so bemessen ist, daß bei optimaler Maschinendrehzahl eine Strömungsgeschwindigkeit der Auspuffgase von etwa 90 m/sec gewährleistet ist.

6. Auspuffvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Rohr (26) das erste Rohr (24) nur geringfügig überlappt, und der Abstand zwischen dem überlappenden Ende des zweiten Rohres (26) und der Außenseite des ersten Rohres (24) durch eine ringförmige Wand (30) verschlossen ist.

7. Auspuffvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Rohr (26) die gesamte Länge des ersten Rohres (24) überlappt.