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Viertaktbrennkraftmaschine Es ist bei Viertaktbrennkraftmaschinen
bekannt, daß der besonders kräftige Teil der in der Auspuffleitung kurz nach Öffnen
des Auslaßventils entstehenden Druckwelle am offenen Ende der Leitung negativ reflektiert
wird und demzufolge als Unterdruckwelle am Zylinder eintrifft. Kommt diese Welle
negativer Amplitude noch während des Ausschubvorganges an, dann wird die Ausschubarbeit
verringert, wenn der Kolben zu diesem Zeitpunkt eine große Geschwindigkeit besitzt.
Die Phasenverschiebung zwischen vorlaufenden Überdruck- und rücklaufenden Unterdruckwellen
bewegt sich zwischen 7o und i2o° KW. Trifft die Unterdruckwelle später ein, dann
bewirkt sie zwar ein besseres Abfließen der restlichen Abgase, wird aber im weiteren
Verlauf an dem sich schließenden Auspuffventil positiv, d. h. als Unterdruckwelle
reflektiert. Läuft diese Unterdruckwelle zum Rohrende, dann wird sie als Überdruckwelle
zurückgeworfen und stört vor allem beim Mehrzylindermotor, wenn alle Zylinder an
einer Auspuffleitung
liegen, den Ausschubvorgang der folgenden
Arbeitsspiele.
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Es ist auch bekannt, daß man durch geeignete Längenabstimmung der
Saugleitung den Liefergrad von Viertaktmotoren, steigern kann. Der abwärts gehende
Kolben erzeugt in der Saugleitung eine Unterdruckwelle, di> zum offenen Rohrende
läuft und dort negativ reflektiert wird. Trifft nun die rücklaufende Überdruckwelle
zu jenem Zeitpunkt am Zylinder ein, wenn der Kolben sich in der Nähe des unteren
Totpunktes befindet und das Einlaßventil zu schließen beginnt, dann wird der Zylinder
aufgeladen. Dieser Effekt ist bei schnell laufenden Maschinen größer als bei langsam
laufenden und beträgt bei letzteren bestenfalls q. bis 80/,. Wegen des Kostenaufwandes
und der Sperrigkeit der relativ langen Saugleitungen hat sich dieses Verfahren bisher
bei der geringen Leistungssteigerung nicht durchsetzen können.
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Es sind auch Viertaktbrennkraftmaschinen bekannt, bei welchen das
Einlaßventil zwecks Spülung des Arbeitszylinders im Bereich der inneren Kolbentotlage
bei noch offenem Auslaßventil kurzzeitig geöffnet wird und das Einlaßventil sich
zwecks Einführung der Ladung erst nach Beginn des Saughubes, wenn im Arbeitszylinder
bereits Unterdruck besteht, öffnet, wobei die Auslaßleitung eine solche Länge aufweist,
daß die beim Öffnen des Auslaßventils entstehende, sich in der Auslaßleitung fortpflanzende
und an deren offenem Ende negativ reflektierte Überdruckwelle während der kurzzeitigen
Öffnung des Einlaßventils im Zylinder ankommt und dort einen Unterdruck bewirkt,
während ferner die Ansaugleitung eine solche Länge aufweist, daß die beim Öffnen
des Einlaßventils nach Beginn des Saughubes entstehende, sich in der Saugleitung
fortpflanzende und an deren offenem Ende negativ reflektierte Unterdruckwelle kurz
vor dem Wiederabschluß des Einlaßventils im Zylinder ankommt und dort die Ladung
nach Druck und Menge erhöht. Bei diesem bekannten Verfahren läßt es sich jedoch
während der kurzen Zwischenöffnung des Einlaßventils nicht vermeiden, daß die im
Zylinder aus der Auspuffleitung ankommende Unterdruckwelle mindestens ein Stück
weit in die Einlaßleitung eindringt, so daß bei der nachfolgenden Unterdruckwelle,
welche bei der zweiten Eröffnung des Einlaßventils entsteht, in der Ansaugleitung
ein Wellengemisch entsteht, das eine richtige Abstimmung der Leitungsabmessungen
außerordentlich schwierig gestaltet und die beabsichtigte Wirkung einer verbesserten
Füllung der Zylinder in Frage stellt.
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Um eine im Hinblick auf den Aufwand wirtschaftlichere Aufladung zu
erreichen und insbesondere die Ventilsteuerung zu vereinfachen, wird bei einer Viertaktbrennkraftmaschine,
bei der an eine Saug-bzw. Auspuffleitung jeweils nur solche Zylinder angeschlossen
sind, die sich in ihren Öffnungszeiten nicht überschneiden, und bei der jede Auspuffleitung
in Länge und Querschnitt so bemessen ist, daß bei Eröffnung des Auslaßventils eines
Zylinders die in der Auspuffleitung entstehende sowie an deren Ende negativ reflektierte
Druckwelle zum Zylinder in einem Zeitpunkt zurückgelangt, in welchem sich dessen
Kolben im oberen oder in der Nähe des oberen Totpunktes befindet und die Ein- sowie
Auslaßventile geöffnet sind, erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Öffnungsüberschneidung
der Aus- und Einlaßventile so zu wählen und die Saugleitung in Länge und Querschnitt
so zu bemessen, daß sich die aus der Auspuffleitung herkommende, in die Saugleitung
eingetretene Unterdruckwelle bei geöffnetem Einlaßventil bis zum Ende der Saugleitung
fortpflanzt, an deren Ende negativ reflektiert wild und als Überdruckwelle zum Einlaßventil
zurückläuft.
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Als Folge des erhöhten Ladegewichtes kann daher der Motor bei entsprechender
Erhöhung des eingebrachten Brennstoffes eine größere Leistung abgeben, wodurch wiederum
eine verstärkte Auspuffdruckwelle entsteht. Durch die erfindungsgemäße »Rückkoppelung;
über den Zylinder wird der ganze Druckwellenaufladevorgang noch durch Aufschaukeln
verstärkt. Die zu erreichende Ladegewichtssteigerung beträgt etwa 2o bis 40 °/o,
wenn die Leitungen nach den bisher bekannten Berechnungsunterlagen über die Ausbreitung
von Druckwellen in Rohrleitungen entworfen werden. Die Grenze dieses Aufladeverfahrens
liegt unter Berücksichtigung der Reibung, Wellenüberlagerung usw. bei etwa 6o°/0.
Man gelangt dann sowohl am Übergang des Auspuffdiffusors zur Auspuffleitung als
auch an der offenen Mündung des Saugrohres in die Nähe der kritischen Schallgeschwindigkeit.
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Um möglichst große Aufladeeffekte zu erzielen, sind zweckmäßig eine
Reihe von besonderen Maßnahmen zu beachten. So soll, um die von einem Zylinder abgehenden
oder dort ankommenden Wellen möglichst wenig zu dämpfen, vermieden werden, daß die
an den. anderen angeschlossenen Zylindern vorbeigeführte Leitung als Behälter wirkt.
Sie ist demzufolge mit kleinerem Querschnitt auszuführen als der übrige Teil der
Auspuff- oder Saugleitung. Der Übergang von der verengten Sammelleitung in die Auspuff-
bzw. Saugleitung ist zur Vermeidung von Stoßverlust, wie bekannt, vorteilhafterweise
diffusorartig auszubilden. Der Diffusor soll dabei so kurz sein, wie dies aus Strömungsgründen
(Ablösung von der Wand) möglich ist. Weiter ist es zweckmäßig, in bekannter Weise
an den offenen Enden der Auspuffleitungen und gegebenenfalls auch Saugleitungen
Diffusoren anzubringen, damit möglichst wenig kinetische Energie der Druckwellen
verlörengeht. Die Länge der Erweiterung muß klein zur Wellenlänge sein, damit die
kurze, aber kräftige Welle in ihrer Form erhalten bleibt und sich nicht verbreitert
bei gleichzeitiger Amplitudenverkleinerung. Das Querschnittserweiterungsverhältnis
wird so groß gewählt, wie dies wegen der auftretenden Reibungsverluste möglich ist,
also etwa 2 bis q.. Wird. ein Auspufftopf mit großem Inhalt als Schalldämpfer am
größeren Diffusorende angebracht, so ergeben sich keine wesentlichen Änderungen:
Schließlich ist eine Wärmeisolierung der Auspuff- und auch der Saugleitung von Vorteil,
damit ein Energieverlust der Druckwellen in der Auspuffleitung vermieden wird bzw.
in der Saugleitung die rücklaufende Unterdruckwelle durch Erwärmung nicht in der
Amplitude verkleinert wird.
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Ordnet man hinter dem Auspufftopf die Turbine einer Aufladegruppe
an und vor dem Saugleitungstopf
den Verdichter, dann bringt das
erfindungsgemäße Druckwellenaufladeverfahren auch für den Aufladebetrieb mit Abgasturboverdichter
bedeutende Vorteile.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Aufladeanlage nach
der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. z ein Schema der Leitungen am Motor,
Fig. 2 ein Schaubild der Ventilsteuerzeiten für die erfindungsgemäßeBrennkraftmaschine
in ausgezogenen und für eine bekannte Ausführung in punktierten Linien, Fig.3 den
Zylinderdruckverlauf, wobei in gestrichelten Linien der Zylinderdruck ohne abgestimmte
Leitungen eingetragen ist, Fig. 4 den Verlauf der Auspuffwelle, Fig. 5 den Verlauf
der in der Ansaugleitung reflektierten Auspuffwelle.
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In der Fig. x sind mit i, 2, 3 und 4 die Zylinder einer Brennkraftmaschine
bezeichnet. Von den Zylindern i und 4 strömen die Auspuffgase in die gemeinsame
enge Sammelleitung 5 und von dort über den Diffusor 6 zur erweiterten Auspuffleitung
7. Diese ist mittels des Mündungsdiffusors 8 an dem Auspuffschalldämpfer 9 angeschlossen,
in den auch die Gase aus den Zylindern 2 und 3 über die enge Sammelleitung io, den
Übergangsdiffusor li, die weitere Auspuffleitung 12 und den Mündungsdiffusor
13 strömen. Die Anlage auf der Saugseite der Brennkraftmaschine ist entsprechend
ausgebildet. Auch hier sind für die Zylinder i und 4 enge und weite Teile der Saugleitung
14 bzw. 15 vorgesehen, die untereinander durch einen Diffusor 16 und mit dem Saugschalldämpfer
17 durch einen Mündungsdiffusor 18 verbunden sind. Vor den Saugschalldämpfer 17
ist noch ein Luftfilter i9 geschaltet. Die Zylinder 2 und 3 stehen über die enge
Leitung 20, den Diffusor 2i, die weite Leitung 22 und den Mündungsdiffusor 23 mit
dem Saugschalldämpfer 17 in Verbindung. Alle Leitungen können mit einer Wärmeisolation
umgeben sein, wie dies bei den Auspuffrohren 5, 7, io und 12 und den Saugleitungen
14, 15, 20 und 22 dargestellt ist.
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Die Kurven nach Fig. 3 bis 5 wurden ermittelt nach den Anweisungen
von G. Reyl für die rechnerische und graphische Behandlung der Strömungsvorgänge
in Saugrohren aus ",Deutsche Kraftfahrtforschung, Berlin 1943, Heft 74. Der Berechnung
ist eine Drehzahl der Maschine von 8oo pro Minute, eine Schallgeschwindigkeit in
der Auspuffleitung von 550 m/sec und eine Schallgeschwindigkeit in der Saugleitung
von 350 m/sec zugrunde gelegt. In den Kurven sind einerseits die Werte für
eine durch den Zylinder durchgreifende Auspuffwelle mit Ventilsteuerzeiten nach
Fig.2 und entsprechend abgestimmten Leitungen und andererseits für die im Absatz
3 der Beschreibung angeführte bekannte Einrichtung mit kurzzeitigem Schließen des
Einlaßventils und mit abgestimmten Saugleitungen eingetragen.
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In der Kurve 4 ist zunächst die Überdruckwelle im Auspuffrohr kurz
vor UT gezeichnet, die auf Grund der entsprechend abgestimmten Auspuffleitung kurz
vor 0T als Unterdruckwelle wieder im Zylinder ankommt, durch diesen hindurchgeht
und kurz danach in die Saugleitung wandert (Kurve 5), diese durchläuft, an deren
Ende reflektiert wird und infolge der genau abgestimmten Saugleitungslänge kurz
vor dem Schließen des Einlaßventils bei UT als aufladende Überdruckwelle wieder
im Zylinder eintrifft. Unter Berücksichtigung des Überdruckwellenverlaufes ergibt
sich daher der in ausgezogenen Linien wiedergegebene Verlauf des Zylinderdruckes
nach der Kurve 3. Unter Berücksichtigung der in Fig. 2 in punktierten Linien für
die bekannte Ausführung angenommenen Steuerzeiten ist in der Kurve 5 mit punktierten
bzw. strichpunktierten Linien der Verlauf der Welle in der Ansaugleitung wiedergegeben.
Die ungefähr im oberen Totpunkt in der Saugleitung abgehende Unterdruckwelle wird
infolge der wesentlich kürzer bemessenen Saugleitung auch wieder viel früher im
Zylinder als Druckwelle eintreffen, und zwar, wie aus der punktiert gezeichneten
Kurve 5 ersichtlich ist, trifft das Maximum bei etwa 7o° nach UT ein. Da sich aber
inzwischen das Auslaßventil geschlossen hat, wird diese Welle dort reflektiert und
strömt wieder in die Saugleitung zurück (strichpunktierte Kurve 5). Am Ende der
Saugleitung wird diese Welle in bekannter Weise mit umgekehrtem Vorzeichen reflektiert
und trifft vor dem Schließen des Einlaßventils wieder im Zylinder ein. Überträgt
man diesen rechnerischen Verlauf der Druckwellen in der Saugleitung in die Zylinderdruckkurve,
so ergibt sich der in der Kurve 3 mit punktierten Linien wiedergegebene Verlauf.
Daraus geht hervor, daß beim Schließen des Einlaßventils kurz nach UT bei der Brennkraftmaschine
nach der Erfindung ein um etwa 2o % höher liegender Zylinderdruck vorhanden ist
als bei einer Maschine mit unterbrochenem Steuerdiagramm und entsprechend kurzen
Saugleitungen. Darüber hinaus ist aber die Steuerung wesentlich einfacher.