Brennkraftmaschine mit Druckwellenmaschine und Abgassammelbehälter

Abstract

 Bei einem Abgassammelbehälter werden zur Erhöhung der Federwirkung des Behältervolumens mechanische Federmittel (3') angeordnet. Hierbei wird das Behälterinnere in eine eigentlich durchströmte Kammer (1) und in ein Totvolumen (5) unterteilt. Hierdurch wird die Wirksamkeit insbesondere von relativ kleinen Sammelbehältern bei Brennkraftmaschinen mit niedriger Zylinderzahl und/oder schwachem Aufladegrad verbessert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Abgassammelbehälter für eine mittels gasdynamischer Druckwellenmaschine aufgeladene Brenrkraftmaschine.

[0002] Ein solcher Abgassammelbehälter dient einerseits dazu, die Abgasmassenströme, welche von den einzelnen Zylindern eines Motors abgegeben werden, zusammenzufassen. Andererseits schwächt ein Abgasreceiver die vom Motor verursachten pulsationen ab. Diese Abschwächungswirkung ist von besonderer Bedeutung, wenn ein Motor von einer gasdynamischen Druckwellenmaschine aufgeladen wird. Zu starke Abgaspulsationen können den Aufladungsprozess in der Druckwellenmaschine empfindlich beeinträchtigen, weil sie zu Schwankungen der Wellenlaufzeiten führen. Zur Funktionsweise einer Druckwellenmaschine wird auf die CH-IS 378 595 oder auf die Druckschrift CH-T 123 143 der Anmelderin verwiesen. Nun stellt jedoch die Wahl des Volumens eines Abgasre- ceibers in jedem Fall einen Kompromiss dar. Einerseits ist ein grosses Volumen vorteilhaft, weil die Abschwächung der Pulaationen mit zunehmendem Volumen stärker wird. Andererseits führt ein grosses Volumen aber zu einem verzögerten Ansprechen des Laders auf Last- und Drehzahländerungen, weil die Zeit für die Spülung des Abgassammelbehälters mit grösser werdendem Volumen zunimmt. Besonders schwierig wird ein solcher Kompromiss bei schwach aufgeladenen Motoren mit kleiner Zylinderzahl. Bei kleiner Zylinderzahl ist die Glättungswirkung auf die Abgaspulsationen durch das Zusammenfassen der von den einzelnen Zylindern abgegebenen Teilmassenströme schwach oder gar nicht vorhanden. Ausserdem ist die Pulsationsfrequenz niedrig und macht ein entsprechend grosses Receivervolumen für eine wirksame Abschwächung erforderlich. Hinzu kommt noch, dass die Wirksamkeit des Abgassamelbehälters mit abnehmender Aufladung schwächer wird. Bei einem schwach aufgeladenen Zweizylinder-Dieselmotor ist man beispielsweise bei dieser Kompromissfindung vor ein fast unlösbares Problem gestellt.

[0003] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.

[0004] Ausgehend von der Erkenntnis, dass die von einem Abgassammelbehälter bewirkte Abschwächung von Druckpulsationen nicht in einem direkten Zusammenhang mit der Grösse seines Volumens steht, sondern mit der Federwirkung des Behälterinhaltes, liegt der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, die Aufgabe zugrunde, die Wirksamkeit eines kleinen Abgassammelbehälters insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit niedriger Zylinderzahl und/oder schwachem Aufladegrad zu verbessern.

[0005] Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die Verbesserung der Federwirkung mittels mechanischen Federmitteln das Sammelbehältervolumen klein gehalten werden kann.

[0006] In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung in ihrer Anwendung für einen zwei-zylindrigen Motor schematisch dargestellt.

[0007] Es zeigt:

Fig. 1 einen ersten Abgassammelbehälter mit eingebauter Feder,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsvariante.

[0008] Alle für das Verständnis der Erfindung unwesentlichen Elemente wie beispielsweise der Verbrennungsmotor, die Druckwellenmaschine sowie zugehörige Leitungen sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Motorabgase ist mit Pfeilen bezeichnet.

[0009] Gemäss Fig. 1 besteht der Abgassammelbehälter im wesentlichen aus einer inneren Kammer 1, die vom Gas durchströmt ist und einer äusseren Schallabschirmung 2. Sehr vereinfacht dargestellt sind die Zuströmkanäle 6', 6" von den Zylindern sowie der Abströmkanal 7 zur Druckwellenmaschine. Die mechanischen Federmittel sind hier eine gewellte Federstahlmembran 3', die sich über die ganze aktive Länge des Behälters erstreckt und an dessen Stirnseiten eingespannt ist. Die Einspannung ist gasdicht. Die Membran 3' verläuft zwischen der strömungsbegrenzenden Wand 4 der Kammer 1 und der Schallabschirmung 2 und bildet mit letzterer ein Totvolumen 5. Die Tatsache, dass zwischen der Kammer 1 und der Membran 3' ein weiterer nicht durchströmter Raum besteht, ist im vorliegenden Zusammenhang erfindungsunwesentlich.

[0010] Die zugrundeliegende Idee ist nun, das Gesamtvolumen des Sammelbehälters möglichst klein zu halten aufgrund der Massnahme, die Federwirkung des Behälterinhaltes zu vergrössern.

[0011] Wird der aus den Kanälen 6', 6" eintretende Massenstrom mit Q₁ und der in den Kanal 7 austretende Massenstrom mit Q₂ bezeichnet, so lautet die quasi-stationäre Kontinuitätsgleichung

worin V_R das Behältervolumen und f die Gasdichte im Behälter bedeuten.

[0012] Der zweite Term auf der rechten Seite dieser Gleichung wäre auf eine mechanische Federwirkung des Volumens zurückzuführen. Ist die Eigenfrequenz dieser Feder wesentlich grösser als die Pulsationsfrequenz, dann ist

worin k eine dimensionslose "Federkonstante ist". Für den beispielsweisen Zwei-Zylinder-Motor sollte k mindestens dem zwei- bis vier-fachen Wert von V_H/V_R entsprechen, wobei V_H das Hubvolumen des Motors bezeichnet.

[0013] Bei der in Fig. 2 gezeigten Variante, bei welcher die gleichen Elemente dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 tragen, werden die strömungsbegrenzenden Wände 4 durch die federnden Mittel selbst gebildet. Es handelt sich hierbei um Federstahlbleche 3", welche an der Eintrittsseite des Sammelbehälters eingespannt sind. Austrittsseitig streifen die Blechenden mit geringem Spiel an der stirnseitigen Behälterbegrenzung vorbei, die hierzu entsprechend gekrümmt ist. Spielbedingte Leckagen, die um das Federblech herum in das Totvolumen 5 strömen, verursachen aufgrund der relativ hohen Pulsationsfrequenz nur unwesentliche Störungen.

Ansprüche

1. Abgassammelbehälter für eine mittels gasdynamischer Druckwellenmaschine aufgeladene Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Federwirkung des Behältervolumens mechanische Federmittel (3', 3") angeordnet sind, welche das Behälterinnere in eine durchströmte Kammer (1) und in ein Totvolumen (5) unterteilen.

2. Abgassammelbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmittel aus einer gewellten Federstahlmembran (3') gebildet sind, die sich im wesentlichen über die ganze Länge des Abgassammelbehälters erstreckt und an deren Stirnflächen vorzugsweise gasdicht befestigt ist.

3. Abgassammelbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmittel aus Federstahlblechen (3") gebildet sind, welche einseitig, vorzugsweise eintrittsseitig, am Sammelbehälter eingespannt sind und an ihrem anderen Ende an der Behälterbegrenzung vorbeistreifen.

Zeichnung