DE3803320C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Drehmoment- bzw. Leistungssteigerung von Verbrennungsmotoren, insbe­ sondere von Hubkolbenmotoren und hier wieder insbesondere solchen, die nach dem Zweitaktprinzip arbeiten.

Es ist bekannt, daß das zur Verfügung stehende Drehmoment eines solchen Motors mit der Motordrehzahl steigt, einen gewissen Höchstwert erreicht und danach wieder leicht ab­ fällt. Das maximale Drehmoment steht damit nur in einem sehr schmalen Drehzahlbereich, theoretisch sogar nur bei einer ganz bestimmten Drehzahl zur Verfügung. Diese Drehzahl, bei der das maximale Drehmoment anliegt, ist durch mehrere Faktoren beeinflußbar. Beispielsweise ändert sie sich, wenn sich das Resonanzverhalten des ganzen Antriebsaggregates ändert. In diesem Zusammenhang ist mit dem Antriebsaggregat sowohl der gesamte Motor als auch der zugehörige Auspuffstrang gemeint, da sämtliche miteinander mehr oder weniger in Verbindung stehende Hohlräume dieser gesamten Anordnung einen gemeinsamen Resonanzkörper bilden.

Dies bedeutet, daß durch eine Veränderung eines oder mehrerer dieser Hohlräume eine Verschiebung der Drehmoment- Drehzahlkurve erfolgt, was bedeutet, daß das maximale Drehmoment zwar bei einer anderen Drehzahl zur Verfügung steht, jedoch nach wie vor in einem sehr schmalen Dreh­ zahlbereich unter Nutzung des vollen Drehmomentes gefahren werden kann.

In diesem Zusammenhang ist es zwar von Bootsmotoren be­ kannt, die Länge des Auspuffstranges und damit dessen Resonanz­ länge zu verändern. Dies geschieht dort jedoch nicht in Abhängigkeit von der Drehzahl, sondern von Hand durch Wählen zwischen zwei zur Verfügung stehenden Einstellpo­ sitionen. Ferner ist bei Bootsmotoren eine Längenveränderung des Auspuffs wegen der Befestigung des Auspuffs an der relativ starren Bootsschale technisch unproblematisch, wohingegen dies beispielsweise bei Auspuffanlagen von Kraftfahrzeugen und Motorrädern, die ja meist vom Zylinder­ auslaß des Motors in Form eines Krümmers beginnen, sehr viel schwieriger ist.

Ebenso ist es von Motorradrennmaschinen her bekannt, neben dem Strömungskanal der Auspuffanlage ein Zusatzvolumen anzu­ ordnen, welches mit dem Strömungskanal der Auspuffanlage in Verbindung steht. Dieses Zusatzvolumen wird zwar in Abhängigkeit von der Drehzahl vergrößert oder verkleinert, wodurch das Gesamtvolumen der Auspuffanlage vergrößert bzw. verkleinert wird. Jedoch weist diese Lösung den Nach­ teil auf, daß dadurch, daß sich das Zusatzvolumen nicht im Strömungskanal sondern neben dem Strömungskanal der Auspuffanlage befindet, die nach Möglichkeit zu optimierende Strömung in der Auspuffanlage durch Turbulenzen beeinträchtigt wird. Dies führt zu unerwünschten Rückstauerscheinungen in der Auspuffanlage und damit wird das Entleeren des Zylinders und somit auch das nachfolgende Befüllen mit Kraftstoff/Luft­ gemisch behindert, wodurch gerade bei höheren Drehzahlen die positiven Effekte der Volumenveränderung der Auspuffanlage durch die negativen Effekte der unzureichenden Strömung mindestens wieder aufgehoben werden.

Die Veränderungen des Volumens des Kurbelgehäuses entsprechend bestimmter Motorparametern, wie der Drehzahl, ist aus der französischen Patentanmeldung 83 09 852 bekannt. Weiterhin ist aus der japanischen Patentanmeldung 61-2 12 629 bekannt, die Spülung der Brennraum-Auspuffstrang-Einheit zu optimieren, indem die Temperatur des Auspuffes durch Zuführen unverbrannter Gase oder heißer Dämpfe so variiert wird, daß die Geschwindigkeit der auftretenden Druckwellen optimal mit der Auspufftemperatur korreliert. Eine Volumenveränderung des Auspuffstranges wird damit nicht vollzogen.

Eine solche Veränderung der Resonanzlänge und des Resonanzvolumens des Auspuffstranges in Abhängigkeit von der Drehzahl zeigt jedoch die japanische Patentanmeldung 54-1 08 121, wobei diese Veränderung jedoch nicht von weiteren Parametern abhängig gemacht wird.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, bei einer gattungsgemäßen Auslaß-Resonanzsteuervorrichtung durch Veränderung des Resonanzvolumens des Auspuffstranges in Abhängigkeit von Drehzahl und thermischem Zustand des Auspuffstranges das maximale Drehmoment und/oder die Breite des Drehzahlbereiches, bei dem dieses zur Verfügung steht, positiv zu beeinflussen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Diese Art der Abstimmung des gesamten Antriebsaggregates eignet sich natürlich besonders für Hubkolbenmotoren, und hier insbesondere wieder für Zweitaktmotoren, da gerade bei letzteren der nutzbare Drehzahlbereich sehr schmal ist. Derartige Motoren werden jedoch sehr häufig für Motorräder im Renneinsatz verwendet. Auspuffanlagen für Motorräder sind meistens als Resonanz-Auspuffanlagen ausgelegt, deren eines Ende am Auslaßkanal des Zylinders befestigt ist und deren anderes Ende in einen Schalldämpfer übergeht. Da durch den Auspuff aber ein bestimmtes Resonanzverhalten festgelegt ist, muß eine kontinuierliche Veränderung des Resonanzverhaltens durch eine Länge- und Volumenänderung noch vor dem Diffusor des Auspuffes erfolgen.

Gerade in der Biegung des Krümmers ist jedoch eine Volumenveränderung, soll sie sich im Strömungskanal der Auspuffanlage befinden, nur sehr schwer zu verwirklichen. Es ist daher vorteilhaft, Längen- und/oder Volumenveränderung, die ja wegen des Erfordernisses, daß sie im Strömungskanal des Auspuffstranges vonstatten gehen soll, direkt am Übergang zwischen dem Auslaßkanal des Zylinders den Auspuff selbst vorzusehen. Diese Längen- und/oder Volumenveränderung kann durch zwei paßgenau ineinander verschiebbare Hülsen verwirklicht werden, von denen die eine zum Auspuffstrang und die andere zum Motor gehört. Beispielsweise könnte der Auslaßkanal des Zylinders einen rohrförmigen Fortsatz aufweisen, in den eine zum Auspuffstrang gehörige Hülse hineinragt, welche am Außenumfang ihres anderen Endes eine kugelförmige Außenfläche aufweist, mit der sie in einer entsprechend geformten Innenkontur am Beginn des Krümmers um geringe Winkelbeträge drehbar gelagert ist.

Selbstverständlich müssen diese Übergänge, also die inein­ andergleitenden Hülsen, ebenso wie die kugelförmige Außen­ fläche, die in der entsprechenden Innenkontur des Krümmers läuft, so dicht aneinanderliegen, daß kein nennenswerter Druckverlust des Auspuffstranges erfolgt. Die Funktion des Winkel­ versatzes kann anstelle des Kugelgelenkes auch durch einen Falkenbalg wahrge­ nommen werden.

In Abhängigkeit von der Motordrehzahl wird nun die zum Auspuffstrang gehörige Hülse in den Rohrfortsatz des Zylinderkopfes hinein- bzw. herausgeschoben, wobei sich jeweils die Winkelstellung zwischen der Hülse und dem Auspuffkrümmer geringfügig verändert. Dieses Hinein- und Herausschieben kann sowohl mechanisch als auch elektrisch/ elektronisch oder pneumatisch gesteuert werden. Durch diese Lageveränderung des Auspuffes wird sich meist auch der bzw. die weiteren Befestigungspunkte des Auspuffstranges am Motorrad in der Position verändern. Deshalb ist es notwendig, die Be­ festigungsvorrichtungen zwischen dem Motorrad und den weiteren Befestigungspunkten des Auspuffstranges derge­ stalt schwenkbar auszubilden, daß die genannten Lage­ veränderungen ohne Schwierigkeiten vor sich gehen können.

Auf diese Weise läßt sich nicht nur das Gesamtvolumen der Auspuffanlage bis zur letzten strömungstechnischen Drosselstelle hin drehzahlabhängig verändern, sondern eben gerade das Volumen des Strömungskanales des Aus­ puffstranges.

An Hand der Zeichnungen werden im folgenden vorteilhafte Ausführungsformen gemäß der Erfindung beispielhaft näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 ein Drehmoment/Drehzahldiagramm eines Zweitakt- Hubkolbenmotores;

Fig. 2 einen Auspuffstrang eines Hubkolbenmotors gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit des Drehmomentes von der Drehzahl des Motors bei unterschiedlichen Motorkonzepten. Kennlinie A bezeichnet dabei das Verhalten eines gängigen Motors ohne veränderbares Resonanzvolumen, also den Hohl­ räumen, die sich sowohl vor als auch hinter dem Kolben befinden. Kennlinie B unterscheidet sich gegenüber der Kennlinie A lediglich im unteren Drehzahlbereich. Im Be­ reich dieser niedrigen Drehzahlen wird also bei der gleichen Drehzahl ein jeweils etwas höheres Drehmoment erzielt, was mit den bereits bekannten, drehzahlabhängig gesteuerten Zusatzvolumina des Auspuffstranges, jedoch abseits des Strömungskanales, erzielt wird. Der in niedrigem Drehzahl­ bereich noch zu beobachtende Effekt der Drehmomenterhöhung wird jedoch mit zunehmender Drehzahl mehr und mehr durch die Störung der Strömungsverhältnisse im Auspuffstrang durch die Anordnung der Zusatzvolumen neben dem Strömungs­ kanal wettgemacht. Mit steigender Drehzahl werden demnach die auftretenden Verwirbelungen in diesem Zusatz­ volumen bzw. an der Verbindungsstelle zwischen Strömungs­ kanal des Auspuffstranges und dem Zusatzvolumen so stark, daß durch unerwünschte Veränderung der Rückstauverhältnisse im Auspuffstrang dieser Zuwachs an Drehmoment teilweise wieder ver­ lorengeht, so daß ab dem mittleren Drehzahlbereich mit einer solchen Anordnung keine Drehmomentsteigerung gegenüber herkömmlichen Antriebseinheiten erreicht werden kann. Demgegenüber ist mit C die Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie einer erfindungsgemäß gestalteten Antriebseinheit darge­ stellt, bei der, wie in Fig. 1 zu erkennen, der Dreh­ momentzuwachs gegenüber einer herkömmlichen Antriebsein­ heit mit steigender Drehzahl sogar zunimmt und bei der auch das maximal erreichbare Drehmoment über dem herkömm­ licher Antriebseinheiten liegt.

Eine Art der Variation des Resonanzverhaltens des Motors 1 besteht in der Veränderung der Resonanzlänge und/oder des Resonanzvolumens des Auspuffstranges 30, welcher der Auslaßöffnung 10 angesetzt wird.

Einen solchen erfindungsgemäßen Auspuffstrang 30 zeigt Fig. 2. Ein solcher Auspuffstrang 30 besteht zunächst einmal aus dem allgemeinen gekrümmten Diffusor 32, der in den zylindrischen Teil 33 sowie in den Gegenkonus 43 übergeht. Dieser oberhalb des Kolbens 2 befindliche Teil des Resonanzvolumens einer Antriebseinheit setzt sich aus dem Innenvolumen des Auspuffstranges bis zum Dämpfer hin, welcher ja die letzte Drosselstelle zum Umgebungsdruck darstellt, sowie aus dem oberhalb des Kolbens 2 im Zylinder 4 und Zylinderkopf 13 einge­ schlossenen Volumen zusammen, sofern der Kolben 2 eine solche Stellung einnimmt, daß die Auslaßöffnung 10 wenigstens teil­ weise geöffnet ist.

Um das besagte Innenvolumen des Auspuffstranges 30 zu vergrößern ohne die Gefahr von unerwünschten Verwirbelungen oder Rückstauerscheinungen im Strömungskanal 31 einzugehen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen die Länge und/oder das Volumen des Strömungskanals 31 selbst zu vergrößern. Da eine partielle Querschnittsvergrößerung des Strömungskanals 31 sowohl technisch aufwendig als auch in bezug auf den Druck nicht frei von unerwünschten Auswirkungen wäre, ist die Ver­ längerung des Strömungskanals 31 die partikabelste Lösung. Da jedoch besonders bei Antriebseinheiten für Motorräder der an der Auslaßöffnung 10 angeordnete Auspuff nur zwei zylindri­ sche Teile aufweist, die eine Längenveränderung durch Inein­ anderschieben zulassen, wurde ein solches Ineinanderschieben direkt am Übergang zwischen der Auslaßöffnung 10 und dem motorseitigen Ende des Diffusors 32 vorgesehen. Zu diesem Zweck weist der Motor 1 an seiner Auslaßöffnung 10 einen rohrförmigen Fortsatz 35 auf, in dessen Innen­ durchmesser die Außenkontur einer Hülse 34 dicht anliegend verschiebbar ist. Diese Hülse 34 ist mit ihrem auspuff­ seitigen Ende 36 mit dem Diffusor 32 verbunden, und bildet zusammen mit dem Diffusor 32 den Strömungskanal 31 des Auspuffstranges 30. Die Längenveränderung dieses Strömungskanals 31 wird durch Hinein- bzw. Herausschieben der Hülse 34 in den rohrförmigen Fortsatz 35 des Motors bewerkstelligt. Hierzu sind die unterschiedlichsten Vor­ richtungen denkbar, beispielsweise die in der Fig. 3 angeordnete Gewindespindel 37, durch deren Drehung der Flansch 41 des Diffusors 32, und damit auch die Hülse 34, auf den Motor 1 zu- bzw. von ihm weg bewegt werden kann.

Die Steuerung 40 einer solchen Vorrichtung zur Linearbe­ wegung, wie der Gewindespindel oder eines Seilzuges 37, kann sowohl mit elektrischen/elektronischen als auch mit hydraulischen oder pneumatischen Mitteln drehzahlabhängig verwirklicht werden. Zusätzlich muß bei der Volumenveränderung des Auspuffstranges auch die thermisch bedingte und vom Betriebszustand des Motors ab­ hängige Ausdehnung und damit Volumenveränderung des Aus­ puffstranges 30 mit berücksichtigt und kompensiert werden. Dies ist bei der Veränderung des Volumens des Kurbelge­ häuses, wie in Fig. 2 dargestellt, zwar prinzipiell möglich, jedoch weniger notwendig, da diese Volumenver­ änderungen prozentual zum Ausgangsvolumen des Kurbelge­ häuses geringer sind als im Falle des Volumens des Aus­ puffstranges 30.

Durch die Verschiebung des Auspuffstranges gegenüber der Auslaßöffnung 10 ergeben sich zusätzlich weitere geometrische Probleme. Meistens ist bei Motorrädern der Auspuffstrang 30 außer am Motor 1 in der Nähe der Auslaßöffnung 10 noch an einem weiteren, in der Nähe des Endes des Auspuff­ stranges 30 gelegenen Punktes, mit dem Motorrad verbunden. Selbst wenn hierfür keine starre Verbindung, sondern eine Befestigungsvorrichtung 38 verwendet wird, die an ihren Enden mittels der Gelenke 39 beweglich einerseits am Aus­ puffstrang 30 und andererseits am, nicht dargestellten, Motorrad befestigt ist, ergibt sich doch bei einer Ver­ schiebung der Hülse 34 eine solche Lageveränderung des Auspuffstranges gegenüber dem Motorrad und damit dem Motor 1, daß ein Winkelversatz zwischen der Symmetrieachse des rohrförmigen Fortsatzes 35 und der Mittellinie des Strömungs­ kanals 31 am Anfang des Diffusors 32 erfolgt. Dieser Winkel­ versatz wird erfindungsgemäß dadurch kompensiert, daß die Hülse 34 an ihrem auspuffseitigen Ende 36 eine kugel­ förmige Außenkontur aufweist, welche in einer entsprechenden Innenkontur am motorseitigen Ende des Krümmers 32 mit Hilfe eines Flansches 41 gehalten wird. Dadurch bilden Hülse 34 und Diffusor 32 ein in geringen Winkelbereichen drehbares Kugelgelenk, welches trotz fehlender Fluchtung von Hülse 34 und Diffusor 32 ein Heranziehen des Flansches 41 an den Motor 1 und damit ein Hineinschieben der Hülse 34 in den rohrförmigen Fortsatz 35 ermöglicht, ohne ein Verspannen oder gar Deformieren des gesamten Auspuff­ stranges 30 hervorgerufen. Die Funktion des Kugelgelenkes kann, wie gesagt, auch durch einen Faltenbalg, also ein dünnwandiges Rohrstück mit gewellten Rohrwandungen, über­ nommen werden. Durch entsprechende Bearbeitungsgenauigkeit der Außenfläche der Hülse 34, der Innenfläche des rohr­ förmigen Fortsatzes 35 und der Funktionsflächen des Kugel­ gelenkes zwischen dem auspuffseitigen Ende 36 der Hülse 34 und dem Diffusor 32 kann eine ausreichende Dichtigkeit des gesamten Auspuffstranges 30 sichergestellt werden.

Selbstverständlich wird der Versatz des Schalldämpfers 42 und damit die Verschwenkung der Befestigungsvorrichtung 38 um das obere, meist rahmenfeste Gelenk 39 um so stärker sein, je größer der maximale Verschiebeweg der Hülse 34 in dem rohrförmigen Fortsatz 35 ist.

Sehr vorteilhaft läßt sich eine optimale Abstimmung der Antriebseinheit dadurch erreichen, daß beide Vorrichtungen sowohl zur Veränderung des Volumens des Kurbelgehäuses als auch des Strömungskanals 31 des Auspuffstranges 30, vorgesehen werden. Dies ist besonders deshalb vorteil­ haft, weil dann der Verstellbereich der beiden Zusatz­ volumina 14, also innerhalb des Zusatzzylinders 16 bzw. des rohrförmigen Fortsatzes 35, relativ klein ausfallen können, was besonders auspuffseitig zur Verringerung der mechanischen Probleme führt.

Claims (4)

1. Auslaß-Resonanzsteuervorrichtung für eine Brennkraft­ maschine mit Auspuffstrang, der hinsichtlich des Resonanz­ volumens und der Resonanzlänge seines Strömungskanals durch je zwei ineinander laufende Hülsen, von denen die eine fest mit der Brennkraftmaschine verbunden ist, stufenlos in Ab­ hängigkeit von der Drehzahl veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Resonanzvolumens und der Resonanzlänge zusätzlich in Abhängigkeit vom thermischen Zustand des Auspuffstranges (30) geschieht.

2. Auslaß-Resonanzsteuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die andere der Hülsen (35, 34) an einem Ende (36) eine kugelförmige Außenkontur aufweist, welche mit einer ent­ sprechenden Innenkontur des Krümmers (32) nach Art eines Kugelgelenkes eine Winkeländerung zwischen Auspuffstrang (30) und Brennkraftmaschine (1) zuläßt.

3. Auslaß-Resonanzsteuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, welche in einem Motorrad eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Befestigungsvorrichtung (38) mittels der an ihren beiden Enden angeordneten Gelenke (39) in der Nähe des Auspuffstranges (30) diesen schwenkbar am Motorrad befestigt.

4. Auslaß-Resonanzsteuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Hubkolbenmotor nach dem Zweitaktprinzip handelt.