AT507634B1 - Auspuffanlage für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT507 634B1 2011-01-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Auspuffanlage für eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder, dessen Abgasleitung einen in eine endseitig verschlossene Reflexionskammer übergehenden Diffusor aufweist und zwischen dem Diffusor und dem Zylinder an eine wenigstens einen Abgaskatalysator aufnehmende Abgasaustrittsleitung angeschlossen ist.

[0002] Um das Anspringen des Abgaskatalysators in der Auspuffanlage einer Zweitakt-Brennkraftmaschine zu verbessern, ohne das Schwingungsverhalten der Abgase für die Spülung und Ladung des Zylinders nachhaltig zu beeinträchtigen, wurde bereits vorgeschlagen (AT 404 391 A), die Abgasaustrittsleitung mit dem Abgaskatalysator in Strömungsrichtung der Abgase vor der endseitig verschlossenen Reflexionskammer, also im Bereich des Auspuffkrümmers, an die Abgasleitung anzuschließen, sodass die Temperatur des durch die Abgasaustrittsleitung abströmenden Abgases ausreichend hoch für ein zufriedenstellendes Anspringen des Abgaskatalysators ist, ohne den Abgaskatalysator durch eine Überhitzung zu gefährden. Die über einen Diffusor an die Abgasleitung angeschlossene, endseitig verschlossene Reflexionskammer erlaubt darüber hinaus eine gasdynamische Rückwirkung auf die Abgase, um das Spül- und Ladeverhalten der Zweitakt-Brennkraftmaschine durch eine entsprechende Schwingungsanregung der Abgase zu verbessern. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass das Schwingungsverhalten der Abgase das Spülen und den Ladungswechsel nicht in dem erhofften Ausmaß unterstützen kann.

[0003] Zur Anpassung der Druckverhältnisse in einer im Zuge einer Abgasleitung vorgesehenen Reflexionskammer ist es bekannt (WO 97/23712 A1), das ausströmseitige Abgasrohr in die Reflexionskammer vorstehen zu lassen und den endseitig geschlossenen, vorstehenden Abschnitt mit Umfangsöffnungen zu versehen, deren Öffnungsweite durch einen von den Abgasen beaufschlagten, federbelasteten Kolben gesteuert wird, sodass der Druck in der Reflexionskammer über den federbeaufschlagten Kolben selbständig gesteuert wird. Eine solche Drucksteuerung in der Reflexionskammer setzt eine stromabwärts an die Reflexionskammer angeschlossene Abgasleitung voraus, die jedoch bei einer Abgasabführung vor der Reflexionskammer nicht vorhanden ist.

[0004] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Auspuffanlage der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass vorteilhaft auf den Spülvorgang und den Ladungswechsel Einfluss genommen werden kann, um das Leistungsverhalten zu verbessern und die Schadstoffemissionen zu verringern, und zwar sowohl bei Zweitakt- als auch bei Viertaktbrennkraftmaschinen.

[0005] Die Erfindung löst die diese Aufgabe dadurch, dass die Abgasaustrittsleitung über eine mit Durchtrittsöffnungen für das Abgas versehene Trennwand mit der Abgasleitung in Strömungsverbindung steht.

[0006] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die unvermeidbaren Unregelmäßigkeiten der Abgasführung im Bereich des Anschlusses der Abgasaustrittsleitung an die vom Zylinder kommende Abgasleitung in einem hohen Maße auf das gasdynamische Verhalten der Abgase auswirken und demzufolge das Schwingungsverhalten der Abgassäule zwischen dem Zylinder und der Reflexionskammer beeinträchtigen. Diese Beeinträchtigungen können in überraschender Weise weitgehend vermieden werden, wenn zwischen der Abgasaustrittsleitung und der Abgasleitung eine die Strömungsführung in der Abgasleitung unterstützende Trennwand mit Durchtrittsöffnungen vorgesehen wird, durch die der Abgasstrom aus der Auspuffanlage über den Abgaskatalysator ausströmen kann. Obwohl die Trennwand unterschiedlich ausgebildet und beispielsweise in Form eines Gitters eingesetzt werden kann, ergeben sich besonders günstige Konstruktionsbedingungen, wenn die Wand der Abgasleitung die Trennwand bildet, die dann mit entsprechenden Durchtrittöffnungen versehen werden muss.

[0007] Die Ableitung der Abgase über Durchtrittsöffnungen in einer Trennwand zwischen der Abgasleitung und der Abgasaustrittsleitung bringt darüber hinaus den Vorteil einer zusätzlichen 1/6 österreichisches Patentamt AT507 634B1 2011-01-15

Durchmischung des austretenden Abgasstromes mit sich. In diesem Zusammenhang ist nämlich zu bedenken, dass aufgrund der zyklisch ablaufenden Gaswechselvorgänge der aus dem Zylinder austretende Abgasstrom eine Schichtung mit unterschiedlicher Verteilung der Abgaskomponenten aufweist. Diese Schichtung kann durch die Umlenkung des Abgasstromes beim Durchströmen der Durchtrittsöffnungen in der Trennwand durchbrochen und dadurch eine gleichmäßigere Verteilung der Abgaskomponenten im Abgasstrom zum Abgaskatalysator erreicht werden, was sich vorteilhaft auf die Belastung des Abgaskatalysators auswirkt und geringere Anforderungen an die Speicherfähigkeit der eingesetzten Abgaskatalysatoren mit sich bringt. Gute Mischungsverhältnisse können insbesondere dadurch sichergestellt werden, dass die Durchtrittsöffnungen in der Trennwand aus in axialer Richtung der Abgasleitung verlaufenden Längsschlitzen oder in axialer Richtung der Abgasleitung hintereinander angeordneten Rundlöchern bestehen. Durch die in axialer Richtung der Abgasleitung verlaufenden Längsschlitze oder Lochreihen wird bei der Umlenkung des Abgasstromes die Schichtung zusätzlich gebrochen. Außerdem wird die turbulente Energie in der Abgasströmung erhöht, so dass mit einer ausreichend hohen Abgastemperatur für ein gutes Ansprechverhalten des Abgaskatalysators gerechnet werden kann.

[0008] Das durch die erfindungsgemäße Trennwand zwischen der Abgasleitung und der Abgasaustrittsleitung verbesserte gasdynamische Verhalten und der damit verbundene Durchgriff auf den Ladungswechsel macht es sinnvoll, das Schwingungsverhalten der Abgassäule zwischen der Reflexionskammer und dem Zylinder an verschiedene Motorbelastungen anzupassen. Zu diesem Zweck kann die Reflexionskammer in ihrer wirksamen Länge in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, der Motorbelastung und/oder der Abgastemperatur verstellbar ausgeführt werden. Die für eine einfache Konstruktion einer solchen Verstellung erforderliche Voraussetzung einer niedrigen Abgastemperatur im Bereich der Reflexionskammer ist ja erfüllt, werden doch die heißen Abgase durch die Abgasaustrittsleitung vor der endseitig verschlossenen Reflexionskammer abgeleitet. Dies bedeutet, dass sich hinsichtlich der gasdichten Abdichtung zwischen den gegeneinander verschiebbaren Teilen der Reflexionskammer keine ernsthaften Schwierigkeiten ergeben, sodass das Resonanzverhalten der Abgassäule über die in ihrer wirksamen Länge einstellbare Reflexionskammer feinfühlig an die jeweiligen Anforderungen angeglichen werden kann. Aufgrund der geringen Temperaturbelastung und des Umstandes, dass die Reflexionskammer mit dem vorgeschalteten Diffusor vom Abgas nicht durchströmt werden, eröffnen sich außerdem neue Möglichkeiten für die Formgebung dieser Konstruktionsteile, die z. B. in Schneckenform aufgewickelt oder in Rahmenteilen eines Fahrzeuges untergebracht werden können.

[0009] Um die Schadstoffkonzentration der Abgase eines Verbrennungsmotors zu verringern, ist es bekannt, den Abgasen Frischluft zuzumischen. Mit einer erfindungsgemäßen Auspuffanlage ergeben sich hiefür besonders vorteilhafte Voraussetzungen, wenn die Reflexionskammer im Bereich ihres geschlossenen Endes mit einer durch ein Rückschlagventil verschließbaren Ansaugöffnung für Frischluft versehen wird. Während der Unterdruckphase kann über die Ansaugöffnung Frischluft in die Reflexionskammer mit dem Vorteil angesaugt werden, dass die Reflexionskammer mit dem vorgeschalteten Diffusor mit Frischluft gespült wird, was einer Kondensatbildung entgegenwirkt und Ablagerungen erschwert. Außerdem bewirkt die eingebrachte Frischluft eine zusätzliche Kühlung der Reflexionskammer, wobei sich die Frischluft auf ihrem Weg zur Abgasaustrittsleitung zunehmend erwärmt und folglich entsprechend vorgewärmt dem durch die Trennwand abgeleiteten heißen Abgasstrom zugemischt wird.

[0010] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0011] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Auspuffanlage für eine Verbrennungskraftmaschine in einer schematischen, zum Teil aufgerissenen Seitenansicht, [0012] Fig. 2 einen Axialschnitt durch die Abgasleitung im Bereich des Anschlusses der Ab gasaustrittsleitung in einem größeren Maßstab und [0013] Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung einer Konstruktionsvariante einer erfindungsgemäßen Auspuffanlage. 2/6 österreichisches Patentamt AT507 634B1 2011-01-15 [0014] Die dargestellte Auspuffanlage weist eine an einen Abgasstutzen des Zylinders einer Zweitakt- bzw. eine Viertakt-Brennkraftmaschine anflanschbare Abgasleitung 1 auf, die über einen Auspuffkrümmer mit einem in eine Reflexionskammer 2 übergehenden Diffusor 3 verbunden ist. Die einen Abgaskatalysator 4 aufnehmende Abgasaustrittsleitung 5, die in herkömmlicher Weise mit einem Schalldämpfer 6 versehen ist, ist in Strömungsrichtung vor dem Diffusor 3 an die Abgasleitung 1 angeschlossen. Da der Gegenkonus 7 der Reflexionskammer 2 endseitig verschlossen ist, kann die gasdynamische Wirkung der Auspuffanlage im Bereich der Abgasleitung 1 für das Aufladen und Spülen des Zylinders ohne Beeinträchtigung durch den Abgaskatalysator 4 genützt werden. Dies wird vor allem deshalb möglich, weil die Abgasaustrittsleitung 5 über eine mit Durchtrittsöffnungen 8 versehene Trennwand 9 mit der Abgasleitung 1 in Strömungsverbindung steht. Die Trennwand 9 kann dabei durch die Wand der Abgasleitung 1 gebildet werden, wie dies in den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Es ist aber auch möglich, die Öffnung zwischen der Abgasleitung 1 und der Abgasaustrittsleitung 5 mit einem Gitter zu verschließen, durch das die Abgase zum Abgaskatalysator 4 ausgetragen werden. Die Trennwand 9 hat ja die Aufgabe, das gasdynamische Verhalten der Abgassäule in der Abgasleitung 1 zwischen dem Zylinder und der endseitig verschlossenen Reflexionskammer 2 vor störenden Strömungseinflüssen im Bereich des Anschlusses der Abgasaustrittsleitung 5 zu bewahren, indem die Strömungsbedingungen im Wandbereich der Abgasleitung 1 über die Anschlussöffnung der Abgasaustrittsleitung 5 hinweg möglichst beibehalten werden. Trotz der notwendigen Durchtrittsöffnungen 8 in der Trennwand 9 gelingt dies in überraschender Weise, sodass das gasdynamische Verhalten der Abgassäule in der Abgasleitung 1 vorteilhaft für das Spülen und Laden des Zylinders genützt werden kann.

[0015] Da zufolge der Ableitung der heißen Abgase in Strömungsrichtung vor dem Diffusor 3 durch die Abgasaustrittsleitung 5 die Temperaturbelastung der Reflexionskammer 2 klein ausfällt, kann die axiale Länge der Reflexionskammer 2 in einfacher Weise durch ein teleskopartiges Gegeneinanderverschieben der entsprechend gegenseitig verschiebbaren Teile der Reflexionskammer 2 eingestellt werden, wie dies durch den Pfeil 10 angedeutet wird. Damit kann in vorteilhafter Art das Resonanzverhalten der Abgassäule in der Abgasleitung 1 an unterschiedliche Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden. Zu diesem Zweck kann die Reflexionskammer 2 mit einen geeigneten Stelltrieb versehen werden, der in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, der Motorbelastung und/oder der Abgastemperatur angesteuert werden kann.

[0016] Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 sind die Durchtrittsöffnungen 8 in der Trennwand 9 zwischen der Abgasleitung 1 und der Abgasaustrittsleitung 5 als Längsschlitze ausgebildet, die in axialer Richtung der Abgasleitung 1 verlaufen. Diese Ausrichtung der langschlitzförmigen Durchtrittsöffnungen 8 bringt eine gute Durchmischung der in die Abgasaustrittsleitung 5 umgelenkten Abgasströmung mit sich. Aufgrund der zyklischen Spül- und Ladungswechselvorgänge im Zylinder weisen die aus dem Zylinder in die Abgasleitung 1 ausströmenden Abgase eine Schichtung mit unterschiedlichen Konzentrationen der Abgasbestandteile auf, was an den Abgaskatalysator 4 hohe Anforderungen hinsichtlich der Speicherfähigkeit mit sich bringt. Mit einer gleichmäßigen Konzentration der Abgasbestandteile über die gesamte Abgasströmung können daher für den Betrieb des Abgaskatalysators 4 vorteilhafte Bedingungen sichergestellt werden. Eine vergleichbare Durchmischung der Abgasströmung wird auch mit Durchtrittsöffnungen 8 in der Trennwand 9 erreicht, die gemäß dem Ausführungsbeispiel 3 in axialer Richtung der Abgasleitung 1 verlaufenden Reihen angeordnet sind.

[0017] Zur Reduzierung des Schadstoffgehaltes im Abgasstrom von Verbrennungskraftmaschine kann dem Abgasstrom Frischluft zugeführt werden. Aufgrund des ausgeprägten gasdynamischen Verhaltens der Abgassäule im Bereich der Abgasleitung 1 kann diese Frischluft über das geschlossene Ende der Reflexionskammer 2 angesaugt werden, die zu diesem Zweck eine mit einem Rückschlagventil 11 versehene Ansaugöffnung 12 bildet. Während der Unterdruckphase wird somit Frischluft über das Rückschlagventil 11 in die Reflexionskammer 2 angesaugt und allmählich zur Abgasaustrittsleitung 5 verlagert, um den über die Abgasaustrittsleitung 5 abgeführten Abgasen zugemischt zu werden. Vorteilhaft bei einer solchen Frischluftzuführung zu 3/6

Claims (5)

1. österreichisches Patentamt AT507 634B1 2011-01-15 den Abgasen ist, dass die Reflexionskammer 2 mit Hilfe der Frischluft gespült wird, was das Ansetzen von Ablagerungen in diesem Bereich der Abgasleitung 1 erschwert. Außerdem wird die Reflexionskammer 2 durch die Frischluft zusätzlich gekühlt, wodurch die Temperaturbelastung dieser Teile der Auspuffanlage weiter verringert wird. Die bei der Kühlung der Reflexionskammer 2 und des Diffusors 3 von der Frischluft aufgenommene Wärme verhindert wiederum eine für den Katalysatorbetrieb ungünstige Abkühlung der Abgase durch die hinzugefügte Frischluft, sodass sich für die Frischluftzufuhr besonders vorteilhafte Verhältnisse einstellen. [0018] Die Abgasaustrittsleitung 5 kann einen den Abgaskatalysator 4 aufnehmenden, auswechselbaren Abschnitt 13 aufweisen. Dieser auswechselbare Abschnitt bietet die Möglichkeit, den Abstand des Abgaskatalysators 4 vom Anschluss der Abgasaustrittsleitung 5 an die Abgasleitung 1 in Abhängigkeit von der jeweils eingesetzten Verbrennungskraftmaschine vorzuwählen, um aufgrund des vorgewählten Abstandes für den Betrieb und das Ansprechverhalten des Abgaskatalysators 4 vorteilhafte Temperaturverhältnisse sicherzustellen. Patentansprüche 1. Auspuffanlage für eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder, dessen Abgasleitung einen in eine endseitig verschlossene Reflexionskammer übergehenden Diffusor aufweist und zwischen dem Diffusor und dem Zylinder an eine wenigstens einen Abgaskatalysator aufnehmende Abgasaustrittsleitung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasaustrittsleitung (5) über eine mit Durchtrittsöffnungen (8) für das Abgas versehene Trennwand (9) mit der Abgasleitung (1) in Strömungsverbindung steht.
2. 2. Auspuffanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand der Abgasleitung (1) die Trennwand (9) bildet.
3. 3. Auspuffanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (8) in der Trennwand (9) aus in axialer Richtung der Abgasleitung (1) verlaufenden Längsschlitzen oder in axialer Richtung der Abgasleitung (1) hintereinander angeordneten Rundlöchern bestehen.
4. 4. Auspuffanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionskammer (2) in ihrer wirksamen Länge in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, der Motorbelastung und/oder der Abgastemperatur verstellbar ist.
5. 5. Auspuffanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionskammer (2) im Bereich ihres geschlossenen Endes eine mit einem Rückschlagventil (11) versehene Ansaugöffnung (12) für Frischluft aufweist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6