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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zufuhr von Sekundärluft zu den Abgasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere für 2- und 4-Takt Motoren für 2-, 3- und 4-rädrige Motorradvarianten wie z. B. auch Quads, wobei die Vorrichtung eine mit der Umgebungsluft verbundene Eintrittskammer, die gegebenenfalls mit Stahlwolle od. dgl. gefüllt ist, und eine mit dem Inneren des Abgasrohres verbundene Austrittskammer umfasst, wobei die beiden Kammern über zumindest eine Drossel miteinander kommunizieren.
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Eine derartige Vorrichtung ist aus der
US 3 253 401 A bzw. der
US 5 189 877 A bekannt. Dabei weisen diese Vorrichtungen an ihrem sich in die Umgebung öffnenden, sogenannten Einsaugende, ein Ventil auf, um den Austritt von Abgasen zu Zeiten erhöhten Druckes im Abgasrohr zu verhindern. In beiden Fällen wird die Vorrichtung mittels eines Gewindes in den Mantel des Abgasrohres geschraubt. Beide Vorrichtungen sind komplex und voluminös und bedürfen eines massiven Abgasrohres, um das sichere Einschrauben zu ermöglichen, ohne dass das Abgasrohr durch die Öffnung an mechanischer Stabilität verliert. Dazu kommt, dass das Einschraubende der Vorrichtung länger ist, als es der Dicke des Abgasrohres entspricht, was den Querschnitt des Abgasrohres auf undefinierte Weise verengt und seinen Querschnitt verändert, was die Berechnung und Auslegung der gesamten Abgasanlage obsolet macht.
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Aus der
DE 1 235 666 A ist eine Abgasanlage bekannt, die an einer Stelle zwischen zwei Töpfen, die je einen Katalysator aufweisen, eine Verengung besitzt, an der eine nicht näher beschriebene Luftzufuhr, deren Rohrleitung im Inneren des Abgasrohres bis zur Verengung geführt ist, mündet. Durch diesen Aufbau ist eine aufwändige, spezielle Ausbildung sowohl des Abgasrohres als auch der Luftzufuhr notwendig.
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Allgemein kann zu der der Erfindung zugrunde liegenden Problematik folgendes ausgeführt werden: Um den Schadstoffausstoß von Verbrennungsmotoren möglichst gering zu halten, gelangen heutzutage vermehrt Sekundärluftsysteme zum Einsatz. Durch die Zugabe von Luft in die Abgasleitung des Motors werden Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) durch Nachverbrennung bei Temperaturen von etwa 500°C bis 700°C reduziert. Dabei entsteht Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2). Durch diese Reaktionen erhöht sich gleichzeitig die Abgastemperatur, wodurch der Katalysator beim Kaltstart eines Ottomotors schneller warm wird und in Folge seine optimale Betriebstemperatur erreicht.
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Üblicherweise erfolgt die Zufuhr von Sekundärluft über sog. Sekundärluftsaugventile (SLS-Venitle), auch Pulsair-Ventile genannt. Die Druckschwankungen im Abgaskrümmer bzw. im Abgasrohr bewirken ein ständiges Öffnen und Schließen des Ventils, so wie bei den eingangs genannten Konstruktionen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Luft mittels einer Sekundärluftpumpe (SLP) in die Abgasleitung zu blasen. Um Schäden im System zu verhindern ist auch bei einer SLP ein Rückschlagventil notwendig.
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Der Nachteil dieser Systeme besteht, darin, dass sie einerseits z. T. kompliziert ausgestaltete und fehleranfällige Komponenten umfassen und andererseits sehr teuer sind. Fehlfunktionen oder Beschädigungen an einer Komponente führen zu weiteren Schäden an anderen Systemkomponenten. (Rückschlag-)Ventile werden durch hohe Temperaturen und Druckschwankungen stark beansprucht. Undichte Ventile wirken sich negativ auf die Schadstoffemission aus, Pumpen und Abgasrohre können beschädigt werden. In vielen Fällen ist dann eine Erneuerung des gesamten Sekundärluftsystems erforderlich.
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Eine zu Sekundärluftsaugventil und -pumpe alternative Möglichkeit besteht darin, die Auslasskanäle des Motors direkt über eine mit dem Abgasrohr verbundene Zusatzkammer mit Frischluft zu versorgen. Abgesehen davon, dass die Schadstoffemission mit dieser Methode nicht in dem Maße reduziert werden kann, dass sie die von der Abgasgesetzgebung vorgeschriebenen Grenzwerte unterschreitet, treten weitere Nachteile auf, wie Blasgeräusche, Schmorschäden oder der Austritt von Schadstoffen über die Zusatzkammer.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche eine effiziente und gleichmäßige Sekundärluftzufuhr in die Abgasrohre von Verbrennungsmotoren ermöglicht, wobei zu gewährleisten ist, dass Abgase nicht vor dem Katalysator in die Umgebung austreten und die Funktionstüchtigkeit der Vorrichtung auch durch lange Betriebsdauer nicht eingeschränkt wird.
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Erfindungsgemäß werden diese Ziele dadurch erreicht, dass die Eintrittskammer des Sekundärluftsystems über mehrere Öffnungen direkt mit der Umgebungsluft in Verbindung steht und dass die Austrittskammer des Sekundärluftsystems über mehrere Bohrungen im Mantel des Abgasrohres mit dessen Innerem verbunden ist.
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Ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zufuhr von Sekundärluft liegt darin, dass bei extrem einfachem Aufbau und ohne bewegliche Teile, wie beispielsweise ein Ventil, eine gleichmäßige Zufuhr von Sekundärluft gewährleistet wird. Durch die Verbindung der beiden Kammern jeweils über eine Vielzahl von einfachen Öffnungen einerseits mit der Umgebung, andererseits mit dem Abgasstrom und die an sich bekannte Verwendung von zwei über eine Drossel verbundene Reaktionsvolumina, wird eine Entkopplung zwischen dem Inneren des Abgasrohres und der Umgebungsluft erreicht. Durch diese teilweise Entkopplung, besser wäre der Ausdruck Pufferung, können Druckunterschiede effizient und schnell ausgeglichen werden, ohne dass es dabei zu unerwünschten Geräuschen kommt. Zusätzlich wird verhindert, dass Abgase über das Sekundärluftsystem in die Umgebungsluft entweichen. Auf störanfällige Ventile kann dabei verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch sehr einfach nachträglich eingebaut werden.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der der Drossel gegenüberstehende Bereich des Abgasrohres durchgehend ausgebildet ist. So werden die Wege der Sekundärluft weiter verlängert und die Entkopplung verbessert.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Öffnungen auf der Mantelfläche eines in die Eintrittskammer hineinragenden Sekundärlufteintrittrohres, dessen innere Stirnseite mit einem Abschluss dicht verschlossen ist, angeordnet sind. Damit werden die Wege der Sekundärluft noch weiter verlängert und die Öffnungen besser gegen Verschmutzung geschützt.
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In einer Ausgestaltung ist, wie an sich bekannt, vorgesehen, dass die Eintrittskammer und die Austrittskammer von einem, im wesentlichen kreiszylindrischen Mantel gebildet werden. Dadurch wird die Herstellung verbilligt und die mechanische Stabilität erhöht.
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Eine Variante sieht vor, dass der die Eintrittskammer und die Austrittskammer bildende Mantel im wesentlichen konzentrisch um das Abgasrohr angeordnet ist. Damit wird Platz gespart, der Luftzutritt vergleichmäßigt und eine optisch ansprechende Lösung geschaffen.
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Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass das Sekundärlufteintrittrohr im wesentlichen konzentrisch zum Mantel angeordnet ist. Dadurch wird eine gleichmäßige Strömung erreicht.
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Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen Mantel und Sekundärlufteintrittrohr als Rundung ausgebildet ist. Dadurch wird hohe mechanische Stabilität erreicht und Geräusche durch Strömungsablösung an den Kanten wird vermieden.
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Eine Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis vom Volumen der Austrittskammer zum Volumen der Eintrittskammer im Bereich zwischen 25% und 70%, vorzugsweise bei 45% liegt. Damit werden hervorragende Resultate erreicht.
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Eine Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Bohrungen im Abgasrohr zwischen 5% und 7%, vorzugsweise 6,5% des Abgasrohrdurchmessers beträgt. So wird eine gleichmäßige Einbringung der Sekundärluft erzielt.
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Eine Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis vom Durchmesser der Drossel zum Durchmesser des Sekundärlufteintrittrohrs zwischen 30% und 40%, vorzugsweise bei 35% liegt. Mit diesen Verhältnissen wird eine gute Schalldämpfung erreicht.
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Eine Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Querschnitte der Öffnungen zwischen 25% und 45%, vorzugsweise etwa bei 30%, des Querschnittes des Sekundärlufteintrittrohres liegt. Damit wird eine gleichmäßige Strömung und eine gute Schalldämpfung erreicht.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zufuhr von Sekundärluft zu den Abgasen in einem Abgasrohr.
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Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sekundärluftsystem auf einem Abgasrohr 1, das mit Bohrungen 2 versehen ist, über die das Abgasrohr 1 mit einer Austrittskammer 3 verbunden ist. Über eine Drossel 4, kommuniziert die Austrittskammer 3 mit einer Eintrittskammer 5, welche mit Dämmmaterial gefüllt ist. Vorzugsweise besteht das Dämmmaterial aus Stahlwolle. Auch Glaswolle wäre denkbar. Die beiden Kammern 3, 5 sind im Ausführungsbeispiel gemäß 1 von einer gemeinsamen zylinderförmigen Ummantelung 6 begrenzt.
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Die Verbindung zwischen den beiden Kammern in 1 besteht aus einer einzigen Drossel 4, die im wesentlichen aus einem Kreiszylinder mit definiertem Durchmesser und Länge besteht. Die Drosseln können aber auch anders ausgebildet sein und es können auch mehrere Drosseln vorgesehen sein. Um den Weg des Sekundärluftstromes zu verlängern, sind die Bohrungen 2 nicht direkt gegenüber der Drossel 4 angeordnet, sondern zu dieser versetzt. Daher ist der der Drossel 4 gegenüberstehende Bereich des Abgasrohres 1 durchgehend ausgebildet, wie in 1 dargestellt.
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Auf der dem Abgasrohr 1 abgewandten Seite des Mantels 6 ist, in die Eintrittskammer 5 hineinragend, ein perforiertes Sekundärlufteintrittrohr 7 angeordnet. Es ist mit dem Rand des Mantels 6 fest verbunden, beispielsweise durch eine Schweißnaht. Der Übergang zwischen dem Mantel 6 und dem Sekundärlufteintrittrohr 7 ist, wie in 1 dargestellt, vorzugsweise als Rundung ausgebildet. Dies unterdrückt unerwünschte Geräusche und reduziert die Verletzungsgefahr bei Einbau oder Reparatur. Am der Drossel 4 zugewandten Ende ist das Sekundärlufteintrittrohr 7 mit einem Abschluss 8 dicht verschlossen. Die Sekundärluftzufuhr erfolgt über die Perforation, Öffnungen 9, des Sekundärlufteintrittrohres 7. Vorzugsweise besitzt das Sekundärlufteintrittrohr 7 kreisförmigen Querschnitt, es sind aber auch andere Querschnitte, beispielsweise rechteckige denkbar. Die Perforationsöffnungen 9 sind auf der Mantelfläche des Sekundärlufteintrittrohres 7 angeordnet, um den Weg der Sekundärluft zu verlängern. Bei Verwendung eines Sekundärlufteintrittrohres 7 mit großem Durchmesser im Verhältnis zum Drosseldurchmesser, können einige der Öffnungen 9 auch am Rand des Abschlusses 8 vorgesehen sein. Diese Ausführungsform ist allerdings nicht die bevorzugte.
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Der die beiden Kammern 3, 5 umgebende Mantel 6 samt Sekundärlufteintrittrohr 7 besteht vorzugsweise aus demselben Material wie das Abgasrohr 1, das zumeist aus Stahl(-blech) geformt ist. Der Mantel 6 ist vorzugsweise als Kreiszylinder ausgebildet, kann aber auch anders geformt sein und beispielsweise einen viereckigen Querschnitt aufweisen. Die Verbindung mit dem Abgasrohr erfolgt über eine Schweißnaht. Denkbar wäre aber auch eine Verbindung mittels Schrauben, sowie einer temperaturbeständigen Dichtung oder einer Schelle.
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Das erfindungsgemäße Sekundärluftsystem bietet den Vorteil, dass es auch nachträglich eingebaut werden kann. Dazu bedarf es lediglich eines Fachmannes, der Bohrungen im Abgasrohr 1 vornimmt und die nötigen Schweißarbeiten durchführen kann.
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Die Dimensionierung der von den Kammern 3, 5 gebildeten Reaktionsvolumina, die Größe sowie Anzahl der Bohrungen 2 im Abgasrohr 1, der Durchmesser bzw. Ausbildung der Drosselblende, und die Größe sowie Anzahl der Öffnungen 9 im Sekundärlufteintrittrohr 7 richten sich nach der jeweiligen Motorcharakteristik und der Größe des Abgasrohres. Die optimale Abstimmung hängt daher hauptsächlich von der Temperatur und der Zusammensetzung der Abgase sowie vom Druck bzw. von den Druckschwankungen im Abgasrohr ab.
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Trotzdem konnte in Versuchen gezeigt werden, dass unabhängig davon bestimmte Verhältnisse zwischen den einzelnen Abmessungen eine optimale Schadstoffreduktion bewirken. Das optimale Verhältnis vom Volumen der Austrittskammer 3 zum Volumen der Eintrittskammer 5 liegt im Bereich zwischen 25% und 70%, vorzugsweise bei 45%. Der Durchmesser der Bohrungen 2 im Abgasrohr 1 liegt im Bereich von 5% bis 7%, vorzugsweise bei 6.5% des Abgasrohrdurchmessers. Das optimale Verhältnis des Durchmessers der Drosselblende 7 zum Durchmesser des Sekundärlufteintrittrohr liegt zwischen 30% und 40%, vorzugsweise bei 35%. Der Durchmesser der Perforierungsöffnungen 9 im Sekundärluftrohr liegt zwischen 3 mm und 5 mm, vorzugsweise bei 3 mm. Die Summe der Querschnitte der Perforierungsöffnungen 9 liegt zwischen 25% und 45%, vorzugsweise etwa bei 30%, des Querschnittes des Sekundärlufteintrittrohres 7.
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Der Grund für kleine Bohrungen im Abgasrohr 1 liegt darin, dass einerseits das Innere des Abgasrohres möglichst von den Reaktionsvolumina entkoppelt ist, andererseits in einer gleichmäßigen Verteilung der Sekundärluft. Unerwünschte Blasgeräusche werden dadurch verhindert. Die Abmessungen der Drossel bezüglich des Durchmessers des Sekundärlufteintrittrohrs sowie das Verhältnis der Volumina der beiden Kammern zueinander nehmen Einfluss auf die Distanz, welche die Sekundärluft in der Eintrittskammer 5 zurücklegen muss, und den Druckgradienten, wodurch eine optimale Pufferwirkung erzielt werden kann.
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Selbstverständlich können in Ausgestaltungen der Erfindung die beiden Kammern von getrennten Ummantelungen gebildet sein. Die Kammern können verschiedene Formen annehmen und müssen nicht unbedingt nebeneinander wie in 1 dargestellt sondern können auch übereinander oder gegeneinander verschoben angeordnet sein. Somit muss auch das Sekundärlufteintrittrohr nicht parallel zu den Seiten der hinteren Kammer liegen sondern kann mit diesen einen Winkel einschließen.
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In einer optisch besonders ansprechenden Ausgestaltung können die beiden Kammern 3, 5 durch einen im wesentlichen konzentrisch um das Abgasrohr angeordneten Mantel gebildet werden. Eine Trennwand mit einer oder mehreren Drosseln grenzt dabei die beiden Kammern voneinander ab. Über den Querschnitt des Abgasrohres verteilte Bohrungen verbinden das Innere des Abgasrohres mit der Austrittskammer. Mit dieser Ausgestaltung lässt sich eine räumlich homogene Verteilung von Sekundärluft im Abgasrohr erzielen, was sich wiederum positiv auf die Schadstoffreduktion auswirkt.
