DK146574B - Flercylindret totaktforbraendingsmotor - Google Patents

Description

(19) DANMARK

t y

M (,2) FREMLÆGGELSESSKRIFT (,,)146574 B

\ggsl

DIREKTORATET FOR PATENT- OG VAREMÆRKEVÆSENET

(21) Patentansøgning nr.: 4627/75 (51) lnt.CI.3: F 02 B 27/04 (22) Indleveringsdag: 15 okt 1975 (41) Aim. tilgængelig: 19 apr 1976 (44) Fremlagt: 07 nov 1983 (86) International ansøgning nr.: -(30) Prioritet: 18 okt 1974 DE 2449628 (71) Ansøger: *MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NUERNBERG AKTIENGESELLSCHAFT; 8900 Augsburg, DE.

(72) Opfinder: Eglof von *Schnurbein; DE, Jakob ’Bucher; DE, Thomas ’Mlkota; DE.

(74) Fuldmægtig: Ingeniørfirmaet Glersing & Steninger ApS (54) Flercylindret totaktforbrændingsmotor

Opfindelsen angår en flercylindret totaktforbrændingsmotor af den i indledningen til krav 1 angivne art«

For ladningsudskiftningen i en totaktmotor er der et forholdsvis kort tidsrum til rådighed, f.eks. i sammenligning med en firetaktmotor. Inden for dette korte tidsrum skal de i det forudgående arbejdsslag dannede forbræn-^ dingsgasser fjernes fra cylindren uden nogen hjælp fra motorens arbejdsstem- J pel» og cylindren skal fyldes med frisk ladeluft. Der er derfor blevet frem- 2 sat talrige forslag til særligt udformede udstøds- og indsugningskanaler, f som skal muliggøre denne ladningsudskiftning.

t UJj F.eks. kendes fra US-patentskrift 2 581 688 en motor af den indled ningsvis angivne art, hvor man forsøger at gøre en skyllepumpe unødvendig.

14657A

- 2 - Længden og tværsnitsarealet af udstødsgaskanalerne er ved den kendte motor således udformet, at de ved udstødsgasstødene frembragte tryk- og sugebølger kan understøtte ladningen. Princippet i denne kendte motor ville dog navnlig ved moderne motorer føre til meget lange ledninger med stort volumen og dermed til et ikke ubetydeligt konstruktivt opbud og et øget pladsbehov. Desuden må det tages i betragtning, at de i et udstødsgassamlerum indmundende udstødskanaler ved den kendte motor kun er tilsluttet stumpt til samlerum-met. Dette medfører, at der kun kan forbindes et begrænset antal cylindre med udstødsgassamlerum-met, i det foreliggende tilfælde højst tre, da der ellers ville være risiko for en indbyrdes forstyrrelse af ladningsudskiftningen, Til større motorer foreslås derfor ifølge DS-patentskrift 2 581 688 flere parallelle udstødsgas-samlerum, fra hvilke gassen føres til en fælles turbine i støddrift. Det her-med forbundne opbud og navnlig de hermed forbundne tab ved turbinen er derfor meget store.

Det ovenfor anførte gælder tilsvarende også for den i DE-fremlæggelses-skrift 1 010 779 beskrevne, trykladede firetaktmotor, ved hvilken en nøje defineret længde og et nøje defineret tværsnitsareal af forbindelsesledningen mellem cylindrene og en udstødsgassamlebeholder skal understøtte virkningen af en dér anbragt skyllepumpe. De i fremlæggelsesskriftet foreslåede dimensioneringsregler ville ved moderne motorer give en forbindelseskanallængde i størrelsesordenen ca. 40 meter. Den hermed forbundne bekostning ville være betydelig. Ved den kendte motor kan ligeledes kun tre cylindre udmunde i en fælles udstødsgassamleledning. Det herved nødvendiggjorte flertal af parallel-le udstødsgassamleledninger eller manifolds kan ifølge det kendte forslag være ført ind i en fælles, med blænder forsynet udligningsbeholder, fra hvilken udstødsgassen tilføres til f.eks. en turbine, ligeledes i støddrift.

Med udgangspunkt heri har den foreliggende opfindelse til formål at afhjælpe ulemperne ved de kendte motorer ved at tilvejebringe en motor af den omhandlede art, ved hvilken der med enkle midler kan opnås en forbedring af ladningsudskiftningen.

Ifølge opfindelsen løses denne opgave ved den i den kendetegnende del af krav 1 angivne udformning af motoren.

- 3 - U6574

Ved anvendelse af denne udformning er det muligt ved en forud fastlagt beliggenhed af udstødsmanifolden i forhold til forbrændingsmotoren at opnå en optimal længde af udstødsgaskanalerne. Dette medfører for det første/ at man i vid udstrækning undgår tilbagestrømning af udstødsgas til cylindren, når trykket i udstødsmanifolden stiger på grund af et udstødsgasstød fra en anden cylinder, da der i dette tilfælde i overvejende grad indeholdes skyl-leluft i den mod cylindren vendende ende af den forlængede udstødsgaskanal. Endvidere opstår der på grund af den større gasmasse i udstødsgaskanalen i forbindelse med dysevirkningen ved dennes udmunding i manifolden et stærkere undertryk i cylindren, der medfører en sugevirkning, som begunstiger indstrømningen af skylle- og ladeluften. Dette medfører en særlig fordel, idet alle cylindre er forbundet med en fælles udstødsmanifold, i hvilken der ikke behøves nogen blænder eller lignende indbygninger. Ved trykladede motorer kan der herved opnås et stort konstruktivt spillerum med hensyn til valget af antallet af turboladere og disses anbringelse. Ved ikke trykladede motorer gælder det samme f.eks. med hensyn til anbringelsen af lydpotterne. De i udstødsmanifolden indragende afsnit af udstødsgaskanalerne ændrer endvidere lokalt udstødsmanifoldens tværsnit og bevirker derved en dampning af de gen-nemstrømmende trykbølger, så at forstyrrelser af ladningsudskiftningen på grund af trykstød fra andre cylindre formindskes.

Der kendes ganske vist en konstruktion, hvor forbindelsesgaskanalerne mellem cylindre og en udstødsmanifold kan rage ind i denne. Derved skal der imidlertid ved hjælp af en ved slutningen af skylleforløbet tilbageløbende udstødsgastrykbølge frembringes en hvirvelbevægelse i cylindrene. Denne udformning kunne derfor ikke tjene som forbillede for den foreliggende opfindelse.

Endvidere kendes fra US-patentskrift 2 239 262 en udformning, hvor forbindelsesgaskanalerne mellem cylindrene og udstødsmanifolden hver rager ind i denne gennem en rørbøjning. Derved skal der imidlertid opnås en ordnet strømning, som er rettet mod udløbet fra udstødsmanifolden. Til undgåelse af en indbyrdes forstyrrelse af enkelte cylindre kræves der ved den kendte udformning en kontraklap efter hver cylinder eller i hvert fald efter mindst én af et antal til en gruppe sammensluttede cylindre. Heller ikke denne ud- - 4 - 148574 formning kunne således give nogen anvisning til den foreliggende opfindelse.

Desuden kendes fra DE-patentskrift 360*351 en firecylindret totaktfor-brændingsmotor, ved hvilken de omkring cylindrene førte udstødsledninger fra ålle cylindre ved hjælp af korte rørstykker er tilsluttet til en fælles udstødsmanifold· Derved skal opnås en såkaldt efterladeeffekt, idet den skyl-leluft, som undvigér gennem udløbsslidseme atter skal trykkes tilbage ved hjælp af trykket fra udstødsgassen fra en anden cylinder. En derudover gående anvisning kan denne udformning ikke give. Bortset herfra er den kendte udformning begrænset til fire cylindre, da opnåelsen af efterladeeffekten afhæn-ger af, at der altid er en af cylindrene, som befinder sig i efterud-løbsperioden, dvs. mellem tidspunktet for lukning af skylningen og tidspunktet for lukning af udløbet, medens en anden cylinder befinder sig i forafstrømningsperioden. Det samme gælder også for den i DE-offentliggørelses-skrift 1.601.971 foreslåede udformning, som ligeledes skal bevirke en efterladeeffekt, idet udstødsgasledningerne, som gennem en rørbøjning indmunder i en fælles udstødsmanifold, hver skal styres ved hjælp af et roterende styreorgan.

Pra de kendte udformninger adskiller den foreliggende opfindelse sig følgelig ved sin åbenbare enkelhed og dermed ved en god økonomi.

Ifølge en udførelsesform for opfindelsen forløber hver udstødsgaskanals diffusoragtige udvidelse jævnt tiltagende. Ved denne foranstaltning sikres på den. ene side en i vid udstrækning tabsfri strømning af spildgassen i udstødsgaskanalerne. På den anden side fremskyndes formindskelsen af trykket i cylindrene ved skylningen. Navnlig ved forbrændingsmotorer, hvis udløbsåbninger ligger over åbningerne for skylleluften, kan hermed tidspunktet for åbningen af udløbet lægges senere, hvorved der kan opnås et længere arbejds-slag og dermed en bedre udnyttelse af brændslet.

Endvidere er det fordelagtigt, hvis det snævreste tværsnitsareal af hver udstødsgaskanal er tilnærmelsesvis lig med summen af tværsnitsarealerne af cylindrens tilhørende udløbsåbninger. Derved undgås på den ene side en 14657Λ - 5 - unødvendig drøvling mellem cylindren og manifolden, og på den anden side opnås, at strømningen følger kanalvæggene godt.

Ifølge en yderligere udførelsesform for opfindelsen har manifolden indsnævringer mellem udstødsgaskanalemes ender. Disse indsnævringer kan med fordel tilvejebringes ved, at manifolden er sammensat af rørafsnit med forskellig diameter. Disse foranstaltninger mnedfører yderligere tværsnitsændringer af manifolden og dermed en yderligere dæmpning af den ved frigivelse af udløbsabningeme fra de enkelte cylindre udgående trykbølge. Til yderligere forbedring af denne dæmpning er det fordelagtigt at tilvejebringe usymmetriske betingelser for forbistrømningen af udstødsgassen i længderetningen, idet udstødsgaskanalerne har excentrisk beliggenhed i manifolden.

Yderligere ejendommeligheder og fordele ved opfindelsen fremgår af den efterfølgende beskrivelse af nogle udførelseseksempler under henvisning til tegningen, på hvilken fig.1 viser en skematisk gengivelse af en totaktmotor med en manifold ifølge opfindelsen, set i tværsnit, fig.2 en skematisk gengivelse af en totaktmotor med udstødsventilstyring, vist i en til fig.1 svarende gengivelse, fig.3 en skematisk gengivelse af en totaktmotor med modgående stempler vist i en til fig.1 svarende gengivelse, fig.4 et formindsket snit langs linien IV-IV i fig.1 og fig.5 et formindsket snit langs linien V-V i fig.1.

I fig.1 betegner 1 en cylinder i en totaktforbrændingsmotor, i hvilken et stempel 2 bevæger sig op og ned. I cylindren 1 findes sideudløbsåbninger 3 for udstødsgassen. Udløbsåbningerne 3 i hver cylinder 1 er hver forbundet med en udstødsgaskanal 4. Tværsnitsarealerne ved spildgasindløbet i hver udstødsgaskanal 4 er således dimensioneret, at de er tilnærmelsesvis lig med summen af tværsnitsarealerne af de tilhørende udstødsåbninger 3 i cylindren 146574 - 6 - 1. Udstødsgaskanalerne 4 er forlænget ind i en udstødsmanifold 5· De i manifolden 5 indragende ender 7 af udstødsgaskanalerne 4 skal være ført så langt ind i manifolden 5, at de har en længde på mindst den halve diameter af manifolden. I det viste udførelseseksempel er udstødsgaskanalerne 4 ført så langt ind i manifolden 5, at det fri gennemstrømningsareal for udstødsgassen mellem enden 7 af hver udstødsgaskanal 4 og den der foran irørende irøg 8 af manifolden 5 er- noget større end tværsnitsarealet af udstødsgaskanalen 4 ved enden 7, så at udstødsgaskanalerne 4 sammen med væggen 8 i manifolden 5 yderligere danner preldiffusorer. Neden under udløbsåbningerne 3 for udstødsgassen fra cylindren 1 findes i denne cylinder åbninger 9 for skylle-luften, som tilføres til forbrændingsmotoren gennem en skylleluftledning 10· I fig.2 er vist et andet udførelseseksempel for en totaktmotor med et udstødsledningssystem ifølge opfindelsen. Her betegner 20 en cylinder, som i sin øvre ende 21 har en udløbsåbning 22 for udstødsgassen, hvilken åbning er styret ved hjælp af en ventil 23· Disse udløbsåbninger 22 er hver forbundet med en udstødsgaskanal 24, som udmunder i en manifold 25, således som allerede beskrevet under henvisning til fig.1. Imidlertid er denne udstødsgaskanal 24 krummet og er lagt excentrisk med hensyn til manifoldens længdeakse A-A. i cylindrens nedre del 26 findes åbninger 27 for skylleluft. Disse åbninger 27 er ensartet fordelt over cylindren 20's omkreds, da det i dette udførelseseksempel drejer sig cm en jænvstrømsskyllet totaktmotor. I dette tilfælde styres skylleluftens indtræden gennem åbningerne 27 ved hjælp af stemplet 28.

Fig.3 viser ligeledes en jævnstrømsskyllet totaktmotor. I dette tilfælde har totaktmotoren modgående stempler 30,31· I den øvre del 32 af cylindren 33 er anbragt diametralt modstående udløbsåbninger 34 for udstødsgassen. Disse udløbsåbninger 34 er forbundet med hver sin af to udstødsgaskanaler 35 , som udmunder i hver sin manifold 36, der er udformet som ovenfor beskrevet under henvisning til fig. 1. I den nedre del 37 af cylindren er anbragt åbninger 38 for skylleluft. I dette udførelseseksempel styres åbningerne 38 for skylleluf ten af stemplet 31 og udløbsåbningeme for udstødsgassen af stemplet 30.

U6576 - 7 -

Fig.4 og 5 viser anbringelsen af udstødsgaskanalerne 4 i manifolden 5.

De med rektangulært tværsnit udførte udstødsgaskanaler 4 er anbragt vinkelret på manifoldens længdeakse A-A. De lange sider af dette rektangulære tværsnit i hver udstødsgaskanal 4 forløber parallelt med manifoldens længdeakse A-A. Udstødsgassen strømmer i pilenes retning gennem udstødsgaskanalerne 4» derfra i pilenes retning langs manifoldens længdeakse A-A til to ved enderne af kanalen anbragte udstødsgasudløb 12 og derfra til en ikke vist udstødsgasturbokompressor. Det fremgår endvidere af de i fig.4 og 5 viste snit, at udstødsmanifolden 5 er sammensat af rørafsnit med forskellig diameter, så at der mellem enderne 7 af udstødsgaskanalerne 4 opstår indsnævringer 14. Disse indsnævringer 14 kan have forskellig bredde, alt efter anbringelsen af udstødsgaskanalerne 4, da disse er anbragt mellem indsnævringerne 14, så at der opstår en afskærmning af udstødsgaskanalmundingen i sideretningen.

Ved denne udformning kan ladningsudskiftningen forbedres betydeligt.

Således bliver der mulighed for at udnytte den i gassøjlen i udstødsgaskanalen under forafstrømningsperioden oplagrede kinetiske energi direkte til indsugning af skylleluften i cylindren 1, 20, 33 efter åbning af indløbet.

Ved en sådan gunstig formgivning af de til udløbsåbningerne tilsluttede udstødsgaskanaler 4, 24, 35 kan størrelsen af den kinetiske energi af gassøjlen vælges optimalt og udnyttes med små tab. Den kinetiske energi af gassøjlen i udstødsgaskanalerne 4, 24, 35, hvis størrelse tiltager med stigende ladningsgrad, udnyttes endvidere direkte til ladningsudskiftningen. Derved bliver energitabene på udstødssiden mindre, så at motorens tilsyneladende gennemstrømningsmodstand synker. De som diffusor udformede udstødsgaskanaler 4, 24, 35 har endvidere den fordel, at trykket bag udløbsåbningerne 3, 22, 34 kun stiger lidt under forafstrømningsperioden, ved forafstrømningsperiode forstår man ved en totaktmotor, at udløbsslidserne allerede er åbnet, medens skylleslidserne endnu er lukkede. Trykket i cylindrene 1, 20, 33 må være faldet så meget, at skylleslidserne først derefter åbnes, da ellers udstødsgassen kunne strømme tilbage gennem skylleslidserne til skylleluftledningen.

Så snart trykket i cylindrene 1, 20, 33 er sunket under skylletrykket, frigives åbningerne 9, 27, 38 for skylleluften.

146574 - 8 -

Den i hele belastningsområdet opnåede forbedring er særlig stor i delbelastningsområdet. Den lille, afstand mellem åbning af udløbet og åbning af indløbet har en positiv virkning ved begyndelsen og, ved symmetrisk styrede motorer, også ved slutningen af ladningsudskiftningsperioden. Sugevirkningen af· søjlen i udstødsgaskanalen 4, 24, 35 understøtter indledningen af skylle-operationen. I den førsfe fase af skylleoperationen, der også betegnes som fortrængningsfase, fortrænges udstødsgassen fra cylindren 1, 20, 33 ved hjælp af skyllestrålefronten. I den anden fase sammenblandes skylleluft og udstødsgas. Friskluftindholdet i den fra cylindren udstrømmende udstødsgas stiger følgelig stadig under skylleperioden. Hvis man ved udstødsgaskanalerne 4, 24, 35 anvender den maksimale længde, hvor kanalen er ført tæt hen til væggen 8 i manifolden 5, 35, 36, har disse udstødsgaskanaler 4, 24, 35 også under den såkaldte efterafstrømningsperiode en positiv virkning. En efter-ladeeffekt optræder, hvis en anden cylinder åbner udløbsåbningerne 3, 22, 34 for udstødsgassen og udstødsgassen strømmer ud. Ved denne udstrømning opstår der trykbølger, som løber gennem manifolden 5, 25, 36. Disse trykbølger forsøger at trykke den allerede fra cylindrene udskyllede blanding af skylleluft og udstødsgas tilbage til cylindren. Ved udformningen ifølge fig.1, hvor udstødsgaskanalerne 4, 24, 35 er udformet ifølge opfindelsen, vil den i cylindren tilbagestrømmende restudstødsgasneengde vasre meget lille, da der i den mod cylindren vendende ende af udstødsgaskanalen findes megen skylleluft og meget lidt udstødsgas. Desuden opstår der som følge af de større gasmasser i udstødsgaskanalerne 4, 24, 35 et stærkere undertryk i cylindrene 1, 20, 33, der bevirker en sugevirkning, som begunstiger indstrømningen af skylle- og ladeluften, ved forbrændingsmotorer hvis udløbsåbninger 3, 22, 34 ligger over åbningerne 9, 27, 38 for skylleluften kan begyndelsen af gasudstødningen hermed lægges senere, så at der opnås et lasngere arbejdsslag og dermed en bedre udnyttelse af brændslet.

Ved hjælp af de i fig.4 og 5 viste indsnævringer 14 forandres tværsnittene af manifolden 5, 25, 36, så at den gennem denne manifold 5, 25, 36 løbende trykbølge fra de andre cylindre undergår en dæmpning i indsnævringerne og dermed uskadeliggøres. Det er endvidere muligt ved en excentrisk anbringelse af udstødsgaskanalen 24, således som vist i fig.2, at tilvejebringe usymmetriske betingelser i manifolden 25 for forbistrømning af udstødsgassen 146574 - 9 - i manifoldens længderetning og dermed en yderligere forbedring af dæmpningen. Endvidere er det muligt at udforme manifolden 5, 25, 36 og udstødsgaskanalerne 4, 24, 35 med rundt eller ovalt tværsnit.

Claims (6)

146574 - 10 -

1. Flercylindret totaktforbrændingsmotor med en udstødsmanifold, som er forbundet med hver cylinders udstødsåbninger gennem en eller flere udstødsgaskanaler, som hver er forlænget ind i manifolden og i sit i manifolden indragende afsnit har en tværsnitsudvidelse, som danner en diffusor, hvis munding sammen 'med den deroverfor liggende væg i manifolden danner en prel-diffusor, kendetegnet ved, at hver udstødsgaskanals (4,24,35) forlængelse ind i manifolden (5,25,36) står tilnærmelsesvis vinkelret på dennes akse (A-A) og har en længde svarende mindst til det halve tværmål af manifolden, og at det fri udstrømningsareal mellem udstødsgaskanalens (4,24, 35. munding og den foran denne liggende væg (8) i manifolden (5,25,36) er lig med eller lidt større end udstødsgaskanalens (4,24,35) mundingsareal.

2. Forbrændingsmotor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hver udstødsgaskanals (4,24,35) diffusoragtige udvidelse forløber jævnt stigende i hele kanalens længde.

3. Forbrændingsmotor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at kun den sidste del ved udløbsenden (7) af hver udstødsgaskanal (4,24,35) danner en diffusor.

4. Forbrændingsmotor ifølge krav 1, 2 eller 3, kendetegnet ved, at det snævreste tværsnitsareal af hver udstødsgaskanal (4,24,35) er tilnærmelsesvis lig med summen af tværsnitsarealerne af cylindrens (1,20,33) tilhørende udløbsåbninger (3,22,34).

5· Forbrændingsmotor ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at enderne (7) af udstøds gaskanalerne (4,24,35) har rektangulært tværsnit.

6. Forbrændingsmotor ifølge krav 5, kendetegnet ved, at de lange sider af det rektangulære udløbstværsnit i hver udstødsgaskanal (4,24, 35. forløber parallelt med manifoldens (5,25,36) længdeakse (A-A).