-
Die Erfindung betrifft ein Frischgasleitungssystem eiio ner Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Bekannt sind Hubkolben-Brennkraftmaschinen, deren Frischgasleitungssystem die Energie der durch das periodische Ansaugen der Zylinder erregten Gasschwingungen zur Erhöhung der Zylinderladung ausnützt. Die eine übliche Lösung bildet die sogenannte Saugrohraufladung, bei der an die Saugöffnung jedes Zylinders ein einen festgelegten Querschnitt und eine festgelegte Länge aufweisendes Saugrohr angeschlossen ist, wie dies z. B. in dem Zeitschriftsartikel " Saugrohraufladung" (Induction Ram) von D. Broome in der Zeitschrift Automobile Engineer (London) jahrgang 1969, Nr.4-6 beschrieben wird. Bei diesen Frischgasleitungssystemen verläuft die durch die Saugwirkung des Motorzylinders hervorgerufene Depressionswelle bekanntlich mit annähernder Schallgeschwindigkeit entlang der Länge des Rohres und wird von dessen offenem Ende als Druckwelle reflektiert. Eine Reflexion kommt natürlich auch an dem der Saugöffnung des Zylinders zugeordneten Ende des Rohres zustande, wobei jedoch die Amplitude der reflektierten Welle von dem momentanen Durchlaßvermögen der Saugöffnung abhängt. Wird die Hin- und Rücklaufzeit der Welle, d. h. die Eigenschwingungszahl der Gassäule, auf die Bewegung des Hubkolbens abgestimmt, so erreicht die Druckwelle den Zylinder am Ende des Ansaugtaktes und kann dadurch mehr Luft mit höherem Druck in den Zylinder laden. Die Wellenlaufzeit ( Eigenschwingungszahl) wird neben der Ausbreitungsgeschwindigkeit ( annähernd Schallgeschwindigkeit) durch den beim Hinund Zurücklaufen durchlaufenen Weg, d. h. die Rohrlänge bestimmt, und so ist die Rohrlänge eines der wesentlichsten Mittel der zur Verbesserung der Frischgasversorgung dienenden Abstimmung. Der Rohrquerschnitt hat in erster Linie Einfluß auf die sich entwickelnde Gasgeschwindigkeit, so im Verlaufe des instationären Schwingungsvorganges auf den Pegel der im Rohr hervorgerufenen kinetischen Energie, und weist in Abhängigkeit von der gegebenen Aufgabe ebenfalls ein bestimmtes Optimum auf.
-
Für einen günstigen Ablauf des Vorganges ist natürlich ein im wesentlichen konstanter Rohrquerschnitt erforderlich, da die Druckwellen nicht nur von dem offenen oder dem sich an die Saugöffnung des Zylinders anschließenden geschlossenen oder zum Teil geschlossenen Ende reflektiert werden, sondern an sämtlichen Stellen eine Reflexion zustande kommt, wo sich der Rohrquerschnitt verändert, d. h. sich erweitert oder verengt. Auf diese Erscheinung wird z. B. in der Arbeit von Seifert "Instationäre Strömungsvorgänge in Rohrleitungen an Verbrennungskraftmaschinen" (Springer Verlag 1962) auf Seite 41 hingewiesen. Die durch die Forderungen der günstigen Arbeitsweise bestimmte Rohrlänge ist demgemäß bei konstantem Rohrquerschnitt vorzusehen.
-
Der Geschwindigkeitsvektor des in den einzelnen Abschnitten des Schwingungsvorganges im Saugrohr strömenden Mediums ändert die Richtung und das Medium strömt aus dem offenen Ende des Rohres heraus.
-
Dadurch geht die kinetische Energie des ausströmenden Luftstrahls verloren. ln der Praxis bestand bisher keine Möglichkeit zur Verminderung dieser Verluste.
-
An den Saugrohrabschnitt mit konstantem Querschnitt kann zwar - als dessen Verlängerung - entsprechend der DE-PS 9 71 218 ein derartiger, sich in Richtung zu dem offenen Rohrende hin erweiternder Diffusorabschnitt angeschlossen werden, der die Rückgewinnung eines Teiles der anderenfalls in Verlust gehenden kinetischen Energie ermöglicht. Da die für den Schwingungsvorgang bestimmende Druckwellenreflexion jedoch bereits am Eintrittsquerschnitt des Diffusorabschnittes zustandekommt, wird durch dessen Länge die auch ohne dies unangenehm große Länge des Saugrohres weiter vergrößert, was den Einbau der Saugrohre bzw. des ganzen Frischgasleitungssystems in dem neben dem Motor zur Verfügung stehenden Raum erschwert. In der Praxis gelangten deshalb derartige Konstruktionslösungen nicht zur Anwendung.
-
Bekannt sind weiterhin auch solche Hubkolben- Brennkraftmaschinen, bei denen das die Frischgasversorgung verbessernde Frischgasleitungssystem entsprechend des Oberbegriffs des Anspruchs 1 so ausgebildet ist, daß zwischen die Saugöffnung einer bestimmten Gruppe der Zylinder und ein Resonanzrohr ein ein bestimmtes Volumen aufweisender Resonatorbehälter eingebaut ist, z. B. bei den Konstruktionslösungen nach der HU-PS 1 61 323 und der DE-PS 19 35 155. Ein derartiges Frischgasleitungssystem wird als Resonanzsystem, das Aufladeverfahren selbst als Resonanzaufladung bezeichnet. Die Resonanzaufladung kann nicht nur an nur selbstansaugenden Motoren vorteilhaft eingesetzt werden, da das Resonanz-Frischgasleitungssystem auch zwischen eine entsprechende Ladeeinrichtung und den Motor eingebaut wirksam ist. Letztere Aufladungslösung wurde unter der Bezeichnung " kombinierte Aufladung" bekannt. Das Resonanzsystem für das strömende Medium wird durch die periodische Saugwirkung einer Gruppe von an den Resonatorbehälter angeschlossenen Zylindern erregt, deren Ansaugperioden einander nicht oder nicht wesentlich überlappen.
-
Stimmt die Erregungsfrequenz mit der Eigenschwingungszahl des Resonanzsystems überein, so entsteht im Frischgasleitungssystem eine Resonanz und von den verstärkten Gasschwingungen werden die Zylinder des Motors im wesentlichen Maße aufgeladen.
-
Bei bestimmten Abmessungsverhältnissen der einzelnen Elemente des Resonanzsystems wird die Aufladung der Zylinder durch die Gasschwingungen nicht nur bei der Motordrehzahl erhöht, bei der sich die Resonanz ergibt, sondern sind die Gasschwingungen in einem breiten Drehzahlbereich wirksam, z. B. bei den Konstruktionslösungen gemäß der AT-PS 3 30 506 und der GB-PS 14 00 059, obwohl die größte Aufladungswirkung bei der Resonanzdrehzahl in Erscheinung tritt.
-
Hierzu ist die Länge der Frischgasleitungen zwischen den Zylindern und dem Resonatorbehälter in Metern höchstens der Quotient aus 1500 und der Nenndrehzahl des Motors, während das Volumen des Resonatorbehälters größer als die Hälfte des Hubvolumens der an ihn angeschlossenen Zylinder, jedoch kleiner als das Zehnfache dieses Hubvolumens ist und die Länge des Resonanzrohres größer als das Achtfache von dessen Durchmesserist.
-
Eine vorteilhafte Eigenschaft des Systems besteht darin, daß die Resonanz nicht nur auf eine hohe Motordrehzahl eingestellt werden kann, sondern daß durch entsprechende Wahl der Eigenschwingungszahl des Resonanzsystems die Frischgasversorgung auch bei ganz niedrigen Motordrehzahlen verbessert werden kann, ohne daß das System die Arbeitsweise des Motors bei hohen Drehzahlen schädlich beeinflussen würde. Durch die Einhaltung der zur Verwirklichung der gewünschten Eigenschwingungszahl erforderlichen Abmessungen sowie der durch eine günstige Arbeitweise bedingten Abmessungsverhältnisse (AT-PS 3 30 506) werden jedoch die konstruktionsmäßige Ausgestaltung des Resonanzsystems und dessen Anordnung in dem in der Umgebung des Motors zur Verfügung stehenden Raum erschwert. Eine konstruktiv günstige Anordnung der bestimmte Abmessungen aufweisenden Resonatorbehälter, insbesondere jedoch der Resonanzrohre, wurde zu einer Grundvoraussetzung für die praktische Verwirklichung des Resonanzsystems, wozu beispielsweise nach der DE-OS 29 27 405 und der DE-OS 26 21 638 die Resonanzrohre, die zur Verringerung der Eintrittsverluste der Strömung mit abgerundeten Endaufweitungen versehen sind, innerhalb der Resonatorbehälter angeordnet werden, um eine möglichst kompakte und platzsparende Gesamtkonstruktion zu erreichen und den neben einem Sechszylinder-Reihenmotor zur Verfügung stehenden Raum günstig auszunutzen. Gleichwohl sind die durch eine günstige Arbeitsweise bedingten Abmessungen noch ziemlich groß. Demzufolge ist auch der Platzbedarf der sonst günstig angeordneten Konstruktionen noch groß, was in zahlreichen Fällen ein Hindernis bei der praktischen Verwirklichung werden kann.
-
Demgegenüber wird durch die Erfindung die Aufgabe gelöst, die genannten Einbau- und Anordnungsschwierigkeiten des Frischgasleitungssystems von Hubkolben-Brennkraftmaschinen zu beseitigen und ein Frischgasleitungssystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, durch welches die Frischgasversorgung auch bei verminderten Einbaumaßen wirksam verbessert wird.
-
Dies wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche angegeben.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Einbaumaße des Resonanzsystems auch bei Einhaltung der weiter oben angesprochenen Abmessungsverhältnisse am wirksamsten dadurch verringert werden können, daß der Querschnitt des Resonanzrohres verkleinert wird, da dadurch nicht nur der Querschnitt selbst kleiner wird, sondern zur Einhaltung der durch die wirksame Arbeitsweise bedingten Abmessungsverhältnisse auch eine kürzere Rohrlänge und/oder ein kleineres Resonatorbehältervolumen ausreichen, und daß der durchschnittliche Querschnitt des Resonanzrohrs und hiermit sämtliche bestimmenden und hinsichtlich der Einbaubarkeit wesentlichen Abmessungen des Resonanzsystems auch ohne Erhöhung der Strömungsverluste des im Resonanzrohr mit großer Geschwindigkeit hin und her strömenden Frischgases in bedeutendem Maße vermindert werden können, wenn der Querschnitt des Resonanzrohres in mit zunehmendem Abstand von den Rohrenden zunehmendem Maße verringert wird, d. h. daß sich der Querschnitt in Richtung zu den Rohrenden - mindestens jedoch in Richtung zu dem an den Resonatorbehälter angeschlossenen Rohrende - im Vergleich zum kleinsten Rohrquerschnitt erweitert. Dadurch wird die sich im Resonanzrohr entwickelnde Gasgeschwindigkeit in dem sich erweiternden Diffusorabschnitt verringert und noch im Resonanzrohr wird ein bedeutender Teil der kinetischen Energie der Gassäule zurückgewonnen. Weiterhin kann der aus dem Diffusorabschnitt in den Resonatorbehälter austretende Gasstrahl ohne Behinderung auch in die entfernter gelegenen Teile des Behälters gelangen, wobei für diese Bewegung der bei dem Austritt noch zur Verfügung stehende Anteil an kinetischer Energie verwendet wird. Die störende Wirkung der durch den sich in Richtung zu den Rohrenden erweiternden Querschnitt bedingten Wellenreflexion wird dadurch beseitigt, daß das Volumen des Resonanzraumes wesentlich größer als das Volumen des Resonanzrohres ausgelegt wird. Ein verhältnismäßig großer Resonanzraum kann nämlich die aus dem Resonanzrohr einströmende Gasmenge ohne wesentliche Beschränkung, Kollision oder Drosselung, d. h. ohne einen plötzlichen Druckanstieg aufnehmen. So kommt es an dem Diffusorabschnitt zu keiner derartigen kraftvollen und charakteristischen Wellenreflexion, wie z. B. bei der Saugrohraufladung, wo die in dem Rohr strömende Gassäule unmittelbar, ohne Zwischenschaltung eines Resonatorbehälters, mit der Saugöffnung des Zylinders in Verbindung steht. Die geringfügige Wellenreflexion übt auch im Falle eines veränderlichen Rohrquerschnittes keine bestimmende Wirkung auf die Eigenschwingungszahl des Systems aus, die so auch weiterhin von der ganzen Rohrlänge, einschließlich der Länge der Diffusorabschnitte, von dem durchschnittlichen Rohrquerschnitt und dem Resonanzraumvolumen abhängig bleibt. So muß die durch die günstige Arbeitsweise bestimmte Rohrlänge bei dem erfindungsgemäßen Frischgasleitungssystem nicht um die Länge der Diffusorabschnitte vergrößert werden.
-
Die Erfindung wird detailliert anhand des Ausführungsbeispiels des die Frischgasversorgung verbessernden Resonanz-Frischgasleitungssystems einer Sechszylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine mit Turboaufladung mit Hilfe der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt
-
Fig. 1 die Sechszylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine mit Turboaufladung und dem die Ladung der Zylinder verstärkenden Frischgasleitungssystem im Schnitt,
-
Fig. 2 ein Detail des Frischgasleitungssystems der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 mit dem gegenseitigen Anschluß des Resonatorbehälters und des Resonanzrohres im Schnitt und vergrößerten Maßstab, und
-
Fig. 3 ein Detail des Frischgasleitungssystems der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 mit dem gegenseitigen Anschluß des Resonanzrohres und des Ausgleichbehälters im Schnitt und vergrößerten Maßstab.
-
Die Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Fig. 1 ist ein Sechszylinder-Viertakt-Reihenmotor, in dessen Zylindern 1-6 die Kolben 7-12 entsprechend der üblichen Zündfolge 1-5-3-6-2-4 angeordnet gezeigt sind. Die Zylinder 1-6 sind der Reihe nach mit den Saugöffnungen (Einlaßventilen) 13-18 versehen, an die das die Frischgasversorgung der Zylinder 1-6 verbessernde Resonanz-Frischgasleitungssystem angeschlossen ist.
-
Der Gesamthubraum des Motors betägt 12 l, so daß das Volumen der Zylinder 1-6 je Zylinder 21 beträgt. Die Motornenndrehzahl beträgt 2200 U/Min. Infolge der Viertakt-Arbeitsweise und der vorgenannten Zündfolge entspricht innerhalb der aus den Zylindern 1, 2 und 3 sowie 4, 5 und 6 gebildeten beiden Gruppen der Zündabstand einem Kurbelwinkel von 240°. Der Öffnungszeitwinkel der Saugöffnungen 13-18 ist mit 240° ausgewählt, so daß die Ansaugperioden der einzelnen Zylinder 1-3 bzw. 4-6 innerhalb jeder der aus den Zylindern 1-3 bzw. 4-6 gebildeten Gruppen einander nicht überlappen. Dies bietet die Möglichkeit, die Saugöffnungen 13-15 der Zylinder 1-3 der Reihe nach mittels der Frischgasleitungen 19-21 an den Resonatorbehälter 31, die Saugöffnungen 16-18 der Zylinder 4-6 der Reihe nach mittels der Frischgasleitungen 22-24 an den Resonatorbehälter 32 anzuschließen. Die Länge der Frischgasleitungen 19-24&min; gemessen von den Saugöffnungen 13-18 bis zu ihrem sich an den Resonatorbehälter 31 bzw. 32 anschließenden Mündungsquerschnitt 25-30&min; wurde mit 0,2 m ausgewählt.
-
Gegenüber der die Mündungsquerschnitte 25-27 der Frischgasleitungen 19-21 enthaltenden Behälterwand 49 des Resonatorbehälters 31 ist das daran angeschlossene Rohrende 35 des Resonanzrohres 33 angeordnet. Gegenüber der die Mündungsquerschnitte 28-30 enthaltenden Behälterwand 50 des Resonatorbehälters 32 ist das daran angeschlossene Rohrende 36 des Resonanzrohres 34 angeordnet. Die den Resonatorbehältern 31, 32 abgewendeten Rohrenden 37 und 38 der Resonanzrohre 33, 34 münden in den gemeinsamen Ausgleichbehälter 39, der über die Eintrittsöffnung 40 und das Verbindungsrohr 41 an die Druckseite 42 a der Aufladeeinrichtung 42 angeschlossen ist. In Fig. 1 ist als Aufladeeinrichtung 42 ein Abgas-Turboauflader angegeben. Ähnlich können jedoch auch Aufladeeinrichtungen sonstigen Systems und anderer Arbeitsweise verwendet werden.
-
Die periodische Saugwirkung der Kolben 7-9 versetzt das Frischgas, das in dem Frischgasleitungssystem aus dem über die Frischgasleitungen 19-22 an die Saugöffnungen 13-15 der Zylinder 1-3 angeschlossenen Resonatorbehälter 31 und dem an diesen angeschlossenen Resonanzrohr 33 strömt, in Schwingungen.
-
Mit Rücksicht darauf, daß die Zündabstände der an den Resonatorbehälter 31 angeschlossenen Zylinder 1-3 einem Kurbelwinkel von 240° entsprechen, folgen auch die Ansaugperioden aufgrund der Saugwirkung der Kolben 7-9 alle 240° aufeinander, d. h. daß bei den erregten Gasschwingungen die Zeitdauer je eines Schwingungszyklus einem Kurbelwinkel von 240° unabhängig von der momentanen Motordrehzahl entspricht. Die während der Zeitdauer eines Kurbelwinkels von 240° offenen Saugöffnungen 13-14 sind also eben während eines vollständigen Schwingungszyklus offen und deshalb steht in diesen Fällen im Verlaufe je eines Schwingungszyklus immer nur einer von den drei Zylindern 1-3 mit dem Resonatorbehälter 31 in offener Verbindung. Im dargestellten Zeitpunkt z. B. steht der Zylinder 1 mit dem Resonatorbehälter 31 über die geöffnete Saugöffnung l 3in Verbindung.
-
In diesem Falle entspricht z. B. das auf einen ganzen Schwingungszyklus bezogene durchschnittliche Volumen 1 a des mit dem Resonatorbehälter 31 über die eben offene Saugöffnung 13 verbundenen Zylinders 1 dem einfachen algebraischen Mittelwert der im Verlaufe des Kurbelwinkels von 240° zwischen dem Öffnen und Schließen der Saugöffnung 13 sich bildenden momentanen Zylindervolumina.
-
Wird die Öffnungszeit der Saugöffnung 13 kürzer als eine Schwingungsperiodendauer gewählt, würde z. B. im vorliegenden Falle die Saugöffnung 13 nur während eines Kurbelwinkels von 200° offen bleiben, so müßte der Mittelwert der sich während der Zeitdauer vom Öffnen bis zum Schließen der Saugöffnung 13 im Verlaufe des Kurbelwinkels von 200° ergebenden momentanen Zylindervolumina berücksichtigt werden, da der Zylinder 1 während der restlichen Zeitdauer für den Kurbelwinkel von 40° über die Saugöffnung 13 nicht mit dem Resonatorbehälter 31 in Verbindung steht. Im dargestellten Zeitpunkt steht der Zylinder 5 über die offene Saugöffnung 17 mit dem Resonatorbehälter 32 in offener Verbindung. In diesem Falle entspricht das auf einen ganzen Schwingungszyklus bezogene durchschnittliche Volumen 5 a des mit dem Resonatorbehälter 32 durch die eben offene Saugöffnung 17 verbundenen Zylinders dem einfacen algebraischen Mittelwert der im Verlaufe des Kurbelwinkels von 240° zwischen dem Öffnen und Schließen der Saugöffnung 17 sich bildenden momentanen Zylindervolumina.
-
Im Verlaufe der praktischen Anwendungen kann auch der Fall vorkommen, daß die Öffnungszeit der Saugöffnungen 13-18 länger als ein Schwingungszyklus ist. Bei vorliegendem Ausführungsbeispiel würde dies in dem Falle auftreten, wenn die Saugöffnungen 13-18 über die Zeitdauer eines Kurbelwinkels von 240° hinaus geöffnet werden. Wird z. B. eine Öffnungszeit von 260° gewählt, so kommt ein eine 20° erreichende U berlappung zwischen den Ansaugperioden der einzelnen Zylinder 1-6 zustande. Bei der Bestimmung des durchschnittlichen Zylindervolumens ist in diesen Fällen zu berücksichtigen, daß im Verlaufe der 20°-Überlappung der Ansaugperioden, in der von den Saugöffnungen 13-15 bzw. 16-18 gleichzeitig je zwei geöffnet sind, von den Zylindern 1-3 bzw. 4-6 je zwei gleichzeitig mit dem Resonatorbehälter 31 bzw. 32 in offener Verbindung stehen.
-
Das wie vorstehend verstandene durchschnittliche Zylindervolumen 1 a, das Volumen 19 a der Frischgasleitung 19, weiterhin die Volumina 20 a und 21 a der auch bei eben geschlossenen Saugöffnungen 14 und 15 mit dem Resonatorbehälter 31 verbundenen Frischgasleitungen 20 und 21 sowie das Volumen 31 a des Resonatorbehälters 31 bilden zusammen einen Resonanzraum.
-
Das Volumen V des als Summe der Volumina 1 a, 19 a, 20 a, 21 a und 31 a betrachteten Resonanzraumes beträgt im vorliegenden Ausführungsbeisiel 10 Liter.
-
Auf ähnliche Weise bilden das durchschnittliche Zylindervolumen 5 a, das Volumen 23 a der Frischgasleitung sowie die Volumina 22 a und 24 a der auch bei eben geschlossenen Saugöffnungen 16 und 18 mit dem Resonatorbehälter 32 verbundenen Frischgasleitungen 22 und 24 sowie das Volumen 32 a des Resonatorbehälters 32 gemeinsam einen Resonanzraum. Das Volumen V des als Summe der Volumina 5 a, 22 a, 23 a, 24 a und 32 a betrachteten Resonanzraumes beträgt ebenfalls 10 Liter.
-
Das mit dem Resonatorbehälter 21 verbundene Resonanzrohr 33 sowie das mit dem Resonatorbehälter 32 verbundene Resonanzrohr 34 weisen einen Rohrabschnitt 43 bzw. 44 kleinsten Querschnitts auf, wobei der zahlenmäßige Wert des kleinsten Rohrquerschnittes 43 a bzw. 44 a im vorliegenden Beispiel 16 cm2 beträgt.
-
Die Resonanzrohre 33 und 34 weisen an ihren beiden Enden sich in Richtung zu den Rohrenden 35, 37 bzw. 36, 38 hin erweiternde Diffusorabschnitte 45, 47 bzw. 46, 48 auf. ln dieser Weise sind an den den kleinsten Querschnitt aufweisenden Rohrabschnitten 43 und 44 des Resonanzrohres 33 bzw. 34 der Diffusorabschnitt 45 bzw. 46 angeschlossen, so daß der Mündungsquerschnitt 35 a bzw. 36 a des mit dem Resonatorbehälter 31 bzw. 32 verbundenen Rohrendes größer ist als der Querschnitt 43 a bzw. 44 a des Rohrabschnittes 43 bzw. 44. In der Nähe des dem Resonatorbehälter 31 bzw. 32 abgewendeten Rohrendes 37 bzw. 38 ist die Rohrausbildung ähnlich; an den Rohrabschnitt 43 bzw. 44 ist ein Diffusorabschnitt 47 bzw. 48 mit sich zum Ausgleichsbehälter 51hin erweiterndem Querschnitt angeschlossen, so daß der Mündungsquerschnitt 37 a bzw. 38 a der Rohrenden 37,38 größer als der Querschnitt des Rohrabschnittes 43 bzw. 44 mit dem kleinsten Querschnitt ist.
-
Mit der von der Erweiterung des Querschnittes des Resonanzrohres 33, 34 erwarteten Wirkung ist in dem Falle zu rechnen, wenn die Größe der Querschnitte 35 a bzw. 37 a mindestens das 1,2fache des kleinsten Rohrquerschnittes 43 a ausmacht. Im Interesse des Erreichens der günstigen Wirkung ist jedoch vorzugsweise eine diese überschreitende Querschnittserweiterung zu wählen. Im vorliegenden Beispiel sind die Querschnitte 35 a bzw. 37 a 1,6mal größer als der Querschnitt 43 a, und ihr zahlenmäßiger Wert beträgt 25,6 cm2. Die gleichen Maße bzw. Abmessungsverhältnisse hat der Querschnitt 36 a bzw. 38 a des Rohrendes 36 und des Rohrendes 38 des Resonanzrohres 34, die über die Diffusorabschnitte 46 bzw. 48 mit dem den kleinsten Rohrquerschnitt 44 a aufweisenden Rohrabschnitt 44 verbunden sind.
-
Die Länge der geraden Resonanzrohre 33 und 34 zwischen den Rohrenden 35 und 37 bzw. 36 und 38 (einschließlich der Längen der Diffusorabschnitte 45 und 47 bzw. 36 und 38) wurde so gewählt, daß das Resonanz-Frischgasleitungssystem eine die Aufladung verbessernde größte Wirkung bei einer die Hälfte der Motornenndrehzahl unterschreitenden Motordrehzahl liefert, die bei vorliegendem Ausführungsbeispiel 1000 U/ Min. beträgt. Mit der Erregungsfrequenz der Ansaugperioden der Zylinder 1-3 bzw. 4-6 kommt demgemäß die Resonanz im Frischgasleitungssystem bei dieser ausgewählten Motordrehzahl zustande. Aus dieser Forderung ergeben sich die Länge des Resonanzrohres 33 bzw. 34 zu 0,73 m bzw. ihr Volumen 33 a bzw. 34 a bei den genannten Querschnitten von 43a bzw. 44a, 35a, 37a bzw. 36a, 38a zu 1,2 Liter. Die Diffusorschnitte 45, 47 bzw. 46, 48 sind kegelförmig mit einer geraden Mantellinie. Auf diese Weise ist das Volumen V des Resonanzraumes 8,4mal größer als das Volumen 33 a bzw. 34 a des Resonanzrohres 33 bzw. 34.
-
Für eine günstige Frischgasströmung ist der Resonatorbehälter 31 an der Einmündung des Rohrendes 35 des Resonanzrohrs 33 so ausgebildet, daß entsprechend Fig. 2 und 3 der Abstand 56 zwischen der gegenüberliegenden Behälterwand 49 und dem zur Mittellinie 55 senkrechten kreisförmigen Querschnitt 35 a des Rohrendes 35, gemessen in der Verlängerung 55 der Mittellinie des Resonanzrohres 33, größer ist als der Durchmesser des Querschnittes 35 a, im vorliegenden Beispiel 0,08 m.
-
In gleicher Weise ist der Resonatorbehälter 32 so ausgebildet, daß der Abstand 56 zwischen der gegenüberliegenden Behälterwand 50 und dem zur Mittellinie 55 senkrechten kreisförmigen Querschnitt 36 a des Rohrendes 36, gemessen in der Verlängerung der Mittellinie 55 des Resonanzrohres 34, größer ist als der Durchmesser des Querschnittes 36 a, im vorliegenden Beispiel 0,08 m.
-
Für eine günstige Frischgasströmung ist der Ausgleichsbehälter 39 an dem Anschluß des Rohrendes 33 so ausgebildet, daß der Abstand 57 zwischen der gegenüberliegenden Behälterwand 51 und dem zur Mittellinie 55 senkrechten kreisförmigen Querschnitt 37 a des Rohrendes 37, gemessen in der Verlängerung der Mittellinie 55 des Resonanzrohres 33, größer ist als der Durchmesser des Querschnittes 37 a, im vorliegenden Beispiel 0,08 m. In gleicher Weise ausgebildet ist der Ausgleichsbehälter an der Einmündung des Rohrendes 38 des Resonanzrohres 34, so daß der Abstand 57zwischen der gegenüberliegenden Behälterwand 51 und dem zur Mittellinie 55 senkrechten kreisförmigen Mündungsquerschnitt 38 a des Rohrendes 38, gemessen in der Verlängerung der Mittellinie 55 des Resonanzrohres 34, größer ist als der Durchmesser des Querschnittes 38 a, im vorliegenden Beispiel 0,08 m.
-
Fig. 2 zeigt den Anschluß des Resonanzrohres 33 und des Resonatorbehälters 31 vergrößert mit einer von der in Fig. 1 abweichenden Behälterform. Weder das Rohrende 35 noch die gegenüberliegende Behälterwand 49 verlaufen senkrecht zur Mittellinie 55 des Resonanzrohres 33. Das Rohrende 35 ist über eine Abrundung 54 angeschlossen, die bei der Festlegung der Abmessungen außer Acht gelassen wird. Hierbei wird als "Rohrende" 35 die Durchdringungsfläche der Verlängerung der Mantellinien des Diffusorabschnittes 45 durch die erzeugende Linie derjenigen Wand des Resonatorbehälters verstanden, an der der Diffusorabschnitt 45 in den Behälter 31 mündet. Die extremen Randpunkte dieser Durchdringungsfläche sind in Fig. 2 durch die Schnittpunkte 52 und 53 angegeben. Unter Mündungsquerschnitt des Rohrendes 35 wird der zur Mittellinie 55 senkrechte, in der durch den Schnittpunkt 52 laufenden Ebene liegende Querschnitt 35 a verstanden. Der Abstand 56 zwischen dem Rohrende 35 und der Behälterwand 49 wird als Abstand zwischen der Behälterwand 49 und dem Schnittpunkt der die Schnittpunkte 52 und 53 verbindenden Geraden mit der Mittellinie 55 des Resonanzrohres 33 verstanden.
-
Fig. 3 zeigt den Anschluß des Ausgleichsbehälters 39 und des Resonanzrohres 33 vergrößert. Das Rohrende 27 ist über eine Abrundung 58 angeschlossen, die bei der Feststellung der Maße außer Acht gelassen wird, und als &min;&min;Rohrende&min;&min; 37 wird die Durchdringungsfläche der Verlängerung der Mantellinien des Diffusorabschnittes 47 mit der das Rohrende 37 aufweisenden Ausgleichsbehälterwand verstanden, was durch den Schnittpunkt 59 angezeigt ist.
-
Von dem Ausführungsbeispiel abweichend ist es nicht unbedingt erforderlich, daß der Querschnitt der Diffusorabschnitte 45, 46, 47 und 48 kontinuierlich weiter wird. Eine vorteilhafte Konstruktionslösung kann sich auch ergeben, wenn der Diffusorabschnitt aus mehreren sich erweiternden Teilabschnitten besteht, zwischen denen Rohrabschnitte mit konstanten Querschnitten ausgebildet sind. Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn die Querschnittserweiterung der Diffusorabschnitte 45, 46, 47 bzw. 48 nicht unmittelbar bis zu den Rohrenden 35, 36, 37 bzw. 38 reicht, sondern in deren unmittelbarer Nähe der erweiterte Querschnitt auf einem annähernd konstanten Wert bleibt, wodurch die Verbindung des Resonanzrohres 33 und 34 und des Resonatorbehälters 31 bzw. 32 bzw. des Ausgleichsbehälters 39 sowohl hinsichtlich der Konstruktion als auch der Technologie einfacher wird.
-
Bei den vom vorliegenden Beispiel abweichenden, nicht mit einer Ladevorrichtung sondern mit Selbstansaugung arbeitenden Bremskraftmaschinen ist es nicht unbedingt erforderlich, daß beiden Rohrenden 35 und 37 bzw. 36 und 38 der Resonanzrohre 33 und 34 die gleiche Ausgestaltung haben, denn wo das dem Resonatorbehälter 31 bzw. 32 abgewendete Rohrende 37 bzw. 38 der Resonanzrohre 33 und 34 unmittelbar in die Umgebung mündet, kann auch eine Ausführungsform vorteilhaft sein, bei der der Diffusorabschnitt 45 bzw. 46 nur an dem sich an den Resonatorbehälter 31 bzw. 32 anschließenden Rohrenden 35 bzw. 36 der Resonanzrohre ausgebildet ist.
-
Die mit einem dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entsprechenden Resonanz-Frischgasleitungssystem versehene Hubkolben-Bremskraftmaschine mit Aufladung arbeitet in folgender Weise: lnfolge der durch die periodische Ansaugwirkung der Zylinder 1-3 hervorgerufenen Erregung entwickeln sich periodische Druckänderungen, Druckschwingungen im Resonanzraum, der der Summe des Volumens 31 a des Resonatorbehälters, der Volumina 19 a, 20 a und 21 a der Frischgasleitungen 19, 20 und 21 und des auf einen Schwingungszyklus bezogenen durchschnittlichen Volumens 1 a des während der Zeitdauer des Frischgas-Schwingungszyklus -in der in Fig. 1 gezeigten momentanen Stellung - durch die offene Saugöffnung 13 angesclossenen Zylinders entspricht. Da die am weitesten voneinander entfernten Punkte des Resonanzraumes - der Resonanzbehälter 31 und der Zylinder 1 a - über die Frischgasleitungen 19 bis 20 verbunden sind, verändert sich der Druck im ganzen Resonanzraum zeitlich in der gleichen Weise, so daß darin keine wesentlichen Phasenverschiebungen zustandekommen können. Die periodischen Druckänderungen im Resonatorbehälter beschleunigen und verzögern die Strömung des im Resonanzrohr 33 strömenden Frischgases. Unter Einwirkung der Schwingungserregung wird das Frischgas in der ersten Hälfte des Ansaugvorganges in Richtung zu dem Resonatorbehälter 31 hin beschleunigt und die Arbeit der Schwingunserregung erhöht die kinetische Energie des strömenden Frischgases im Resonanzrohr 33. Die im Resonanzrohr 33 auf eine große Geschwindigkeit beschleunigte Frischgassäule füllt in der zweiten Hälfte des Ansaugvorganges den Resonanzraum in einem Ausmaß auf, daß darin der Druck und hiermit auch die Frischgasladung des Zylnders 1 wesentlich ansteigt. In dem Rohrabschnitt 43 mit kleinstem Querschnitt des Resonanzrohres 33 entwickeln sich infolge des im Vergleich zu den bekannten Ausführungsformen um 30-70% kleineren Rohrquerschnitts sehr hohe Geschwindigkeiten und deshalb kann auch mit einem verhältnismäßig kurzen Resonanzrohr 33 der zu adäquaten Arbeitsweise erforderliche kinetische Energiepegel erreicht werden.
-
Die in dem den kleinsten Querschnitt aufweisenden Rohrabschnitt 43 entstehende Gasgeschwindigkeit wird an dem Rohrende 35 in dem Diffusorbschnitt 45 wieder vermindert, so daß die sehr bedeutende Gasgeschwindigkeit noch vor dem Eintreten in den Resonatorbehälter 31 wieder in Druck umgewandelt wird. Die zur Erzeugung von großen Schwingungsenergien erforderliche Gasgeschwindigkeit geht deshalb beim Eintritt in den Resonatorbehälter 31 nicht verloren, sondern kann zum größten Teil zurückgewonnen werden, so daß der Strömungsverlust des Resonanz-Frischgasleitungssystems nicht zunimmt. Die störende Wirkung der Wellenreflexion an den Diffusorabschnitten 45 und 47 wird dadurch beseitigt, daß man das Volumen V des Resonanzraumes wesentlich größer als das Volumen des im resonanzrohr 31 strömenden Frischgases wählt; im vorliegenden Beispiel ist das Volumen des Resonanzraumes 8,4mal größer. Infolge der im Resonanzraum befindlichen bzw. strömenden großen Frischgasmenge kommt es zu keiner sprungartigen Druckänderung und an den Rohrenden 33 bzw. 37 - hiermit auch an den Diffusorabschnitten 45 bzw. 47 - tritt eine hinsichtlich ihrer Wirkung vernachlässigbare Reflexion auf. So kann mit dem Resonanzrohr 31 eine hinsichtlich der Schwingungen annähernd gleiche Wirkung wie mit den früher bekannten, konstanten Querschnitt aufweisenden Rohren erreicht werden. Die restliche kinetische Energie des durch das Rohrende 35 austretenden, jedoch bereits verzögerten Frischgases wird zur Ausfüllung des Resonanzraumes auch in der Weise genutzt, daß die dem Rohrende 35 gegenüberliegende Behälterwand 49 in einem entsprechenden Abstand vom Rohrende 35 angeordnet ist. Auf diese Weise ist die kinetische Energie des aus dem Rohrende 35 austretenden Freistahles ausreichend, um das Frischgas auch in die entfernter gelegenen Teile des Resonatorbehälters 31 zu bringen, so daß hierzu keine weiteren - als Verlust auftretenden - Energieaufwendungen erforderlich sind. Diese Wirkung wird durch die Verminderung des kleinsten Querschnittes des Resonanzrohres 31 weiter erhöht. Die Möglichkeit dazu ist umso größer, je größere Ausmaße der Querschnittserweiterung in dem Diffusorabschnitt 45 erreicht werden können. Wie dies durch zahlreiche praktische Messungen nachgewiesen wurde, kann eine gute Arbeitweise in dem Fall erwartet werden, wenn der Querschnitt 35 a des in den Resonatorbehälter 31 mündenden Rohrendes 35 mindestens das 1,2fache des kleinsten Rohrquerschnittes 43 a ausmacht oder noch größer ist. ln dem vorliegenden Ausführungsbeispiel konnte bei 1,6facher Querschnittserweiterung der kleinste Querschnitt 43 a des Resonanzrohres 31 soweit vermindert werden, daß zum Erreichen einer auf eine ganz niedrige Motordrehzahl (1000 U/Min) abgestimmten Resonanz lediglich ein 0,73 m langes Resonanzrohr benötigt wird.
-
Ein ähnliches Ergebnis könnte mit den bisher bekannten Resonanz-Frischgasleitungssystemen nur mit einer um etwa 50% größeren Rohrlänge erreicht werden. Die für das Resonanzrohr 31 erreichte Abmessungsverminderung ermöglicht auch die Herabsetzung des Volumens 31 a des Resonatorbehälters 31 um etwa 30-40% im Vergleich zu den bisher bekannten Lösungen. Die Volumenverminderung darf jedoch kein derartiges Ausmaß annehmen, daß das Volumen V des Resonanzraumes kleiner als das 2,5fache des Volumens des angeschlossenen Resonanzrohres 31 wird, da in diesem Falle die störende Wirkung der an dem Diffusorabschnitt 45 zustandekommenden Wellenreflexion bereits nicht mehr vernachlässigt werden kann. Ein ähnlicher Prozeß verläuft auch infolge der durch die periodische Ansaugwirkung der Zylinder 4-6 hervorgerufenen Schwingungserregung in den Frischgasleitungen 22-24, im Resonatorbehälter 32 und im Resonanzrohr 34.
-
Das Frischgas tritt an dem Rohrende 37 bzw. 38 aus dem Ausgleichsbehälter 39 in das Resonanzrohr 33 bzw. 34 ein, in den es aus dem Turbolader 42 über das Verbindungsrohr 41 durch die Eintrittsöffnung 40 einströmt, wobei der Ausgleichsbehälter 39 mit seinem großen Volumen die auftretenden Druckschwankungen dämpft.