DE102005031272A1

DE102005031272A1 - Exhaust system for four- or eight-cylinder internal combustion (IC) engine for motor vehicle, has cross joint, interposed between pre-tubes downstream of catalysts, having cross-sectional area variable as function of engine speed

Info

Publication number: DE102005031272A1
Application number: DE102005031272A
Authority: DE
Inventors: Bernd Fuhrmann
Original assignee: Heinrich Gillet GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2005-07-05
Filing date: 2005-07-05
Publication date: 2007-01-18

Abstract

An open/closable cross joint (9), in form of a cock, a valve, or a flap, is interposed between between pre-tubes (4.1,4.2) downstream of the catalysts (3.1,3.2). The cross sectional area of the cross joint is variable as a function of the engine speed measured by a tachometer (20). The position of the cross joint between the pre-tubes is adjustable.

Description

Die Erfindung betrifft Ansaug- oder Abgasanlagen für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to intake or exhaust systems for motor vehicles with internal combustion engine according to the generic term of claim 1.

Beim Entwurf der Ansaug- und/oder Abgasanlage für einen bestimmten Verbrennungsmotor sind drei wesentliche Kriterien zu beachten: Motorleistung, Motordrehmoment sowie Lautheit und Klang des Abgasgeräusches. Jede konkrete Abgasanlage ist ein Kompromiss, mit dem versucht wird, diese drei Haupteinflussgrößen zu optimieren.At the Design of the intake and / or exhaust system for a particular internal combustion engine are to observe three main criteria: engine power, engine torque as well as loudness and sound of the exhaust noise. Any concrete exhaust system is a compromise that seeks to optimize these three main factors of influence.

Es ist bekannt, dass die Motorleistung hoch wird, wenn die von den Zylinderauslässen ausgehenden Krümmerrohre bis zu ihrer Vereinigungsstelle möglichst kurz gehalten werden. Leider ist bei dieser Konfiguration das Motordrehmoment bei kleinen und mittleren Drehzahlen gering.It is known that the engine power is high when the of the cylinder outlets outgoing manifold pipes be kept as short as possible to their junction. Unfortunately, in this configuration, the engine torque is small and medium speeds low.

Es ist des weiteren bekannt, dass lange Krümmerrohre zwischen Zylinderauslass und Vereinigungsstelle zu einem hohen Motordrehmoment im unteren und mittleren Drehzahlbereich führen. Allerdings ist bei dieser Ausgestaltung die Motorleistung reduziert.It It is further known that long header pipes between cylinder outlet and junction to a high engine torque in the bottom and medium speed range. However, in this embodiment, the engine power is reduced.

Neben dieser sogenannten Vier-in-Eins-Ausführung, bei der alle Krümmerrohre, bei einem Vierzylindermotor sind das vier, an einer einzigen Stelle vereinigt werden, ist auch schon die sogenannte Vier-in-Zwei-in-Eins-Ausführung bekannt. Diese Ausführungsform stellt bereits einen ersten Kompromiss zwischen Motorleistung und Drehmoment dar.Next this so-called four-in-one design, in which all manifold pipes, in a four-cylinder engine, the four are united in a single place already known is the so-called four-in-two-in-one version. This embodiment already represents a first compromise between engine performance and Torque dar.

Vergleichbare Einflüsse auf Leistung und Drehmoment des Motors hat die Auslegung der Ansauganlage.comparable influences on performance and torque of the engine has the design of the intake system.

Leider zeigen die bisher beschriebenen Ausführungsformen der Krümmer- und Vorrohre bzw. der Ansaugrohre ein ungünstiges akustisches Verhalten. Um das akustische Verhalten zu optimieren, müssen die Längen und die Querschnitte der Krümmer- und Vorrohre bzw. Ansaugrohre auf bestimmte harmonische Frequenzen des vom Verbrennungsmotor erzeugten Frequenzspektrums im Abgas abgestimmt werden. Darunter leiden jedoch Leistung und/oder Drehmoment.Unfortunately show the previously described embodiments of the manifold and Vorrohre or the intake pipes unfavorable acoustic behavior. Around To optimize the acoustic behavior, the lengths and cross sections of the Krümmer- and pre-pipes or intake pipes to certain harmonic frequencies be adjusted in the exhaust gas generated by the engine frequency spectrum. However, this affects performance and / or torque.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansaug- oder Abgasanlage der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die wesentlichen Einflussgrößen Motordrehmoment, Motorleistung sowie Lautheit und Klang des Abgasgeräusches über die gesamte Drehzahl des Verbrennungsmotors optimiert werden.Of the present invention has for its object to provide a suction or exhaust system of the type mentioned in the above, that the main factors influencing engine torque, engine power as well as loudness and sound of the exhaust noise over the entire speed of the engine Internal combustion engine to be optimized.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Ansaug- oder Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1.These Task is solved by an intake or exhaust system with the features of the claim 1.

Zwar ist in der Vergangenheit schon mehrfach vorgeschlagen worden, zwischen die Krümmerrohre von Zylindern, die nacheinander feuern, Verbindungsrohre zu schalten und in diese Verbindungsrohre Drosseln, Speicherbehälter oder dergleichen einzuschalten. Diese Vorschläge konnten sich jedoch ausnahmslos nicht durchsetzen, weil sie die Erwartungen nicht erfüllt haben. Aufgrund der Tatsache, dass erfindungsgemäß der Querschnitt der Querverbindung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl variiert wird, gelingt es erstmals, die drei genannten Hauptkriterien jeder Abgasanlage so zu optimieren, dass Lautheit und Klang des Ansaug- bzw. Abgasgeräusches, die Motorleistung und insbesondere das Motordrehmoment im unteren und mittleren Drehzahlbereich optimal werden.Though has been suggested several times in the past, between the manifold pipes of cylinders firing successively to switch connecting pipes and in these connecting tubes throttles, storage tanks or to turn it on. However, these suggestions could be invariably not enforce because they did not live up to expectations. Due to the fact that according to the invention the cross section of the cross connection dependent on is varied by the engine speed, it succeeds for the first time, the three to optimize the main criteria of each exhaust system so that Loudness and sound of the intake or exhaust noise, the engine power and in particular the engine torque in the lower and middle speed range be optimal.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist in die Querverbindung ein Hahn eingesetzt.According to one first embodiment of the invention is in the cross-connection Used cock.

Alternativ kommt auch ein Ventil oder eine Klappe in Betracht.alternative also a valve or a flap is considered.

Vorteilhafterweise ist die Position der Querverbindung entlang der Vorrohre bzw. Ansaugrohre in Abhängigkeit von der Motordrehzahl variabel. Durch diese Kombination von variablem Querschnitt und variabler Position ergeben sich weitere Freiheitsgrade, die zur Optimierung der Ansaug- bzw. Abgasanlage eingesetzt werden können.advantageously, is the position of the cross connection along the pre-pipes or intake pipes in dependence variable from the engine speed. Through this combination of variable Cross-section and variable position give more degrees of freedom, which are used to optimize the intake and exhaust system can.

Alternativ hierzu können auch mehrere gegenseitig beabstandete Querverbindungen vorgesehen sein.alternative can do this Also provided a plurality of mutually spaced cross-links be.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen zwei Querverbindungen Katalysatoren, Partikelfilter, Schalldämpfer und/oder Schalldämpferelemente angeordnet. Auf diese Weise gelingt es, die Einflüsse dieser Katalysatoren und Filter auf die drei genannten Haupteinflussgrößen mit Hilfe der variablen Querverbindungen auszugleichen.According to one Embodiment of the invention are between two cross connections Catalysts, particle filters, silencers and / or silencer elements arranged. In this way, it succeeds, the influences of this Catalysts and filters on the three main factors mentioned with To compensate for the help of the variable cross connections.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Drehzahlmesser oder Sensor zur Drehzahlermittlung vorgesehen, der ein Steuersignal an wenigstens ein Stellorgan liefert, das wenigstens eines der den Querschnitt der Querverbindung variierenden Elemente betätigt.According to one Further development of the invention is a tachometer or sensor for Speed determination provided, the control signal to at least one Actuator supplies that at least one of the cross section of the Cross-connection varying elements actuated.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen jeweils rein schematischWith reference to the drawing, the invention is intended in Form of embodiments will be explained in more detail. They each show purely schematically

1 einen Vierzylindermotor mit einer Abgasanlage, bei der die Krümmer- und Vorrohre in Vier-in-Zwei-in-Eins-Technik mit motornahen Katalysatoren geführt sind, 1 a four-cylinder engine with an exhaust system, in which the manifold and Vorrohre in four-in-two-in-one technology are performed with close-coupled catalysts,

2 ein Diagramm, in dem über der Drehzahl des Motors der 1 Motordrehmoment und Motorleistung für drei unterschiedliche Querschnitte der Querverbindung und der Öffnungsgrad der Querverbindung selbst dargestellt sind, und 2 a diagram in which over the speed of the engine 1 Engine torque and engine power for three different cross-sections of the cross-connection and the opening degree of the cross-connection itself are shown, and

3 ein Ausführungsbeispiel mit einem Achtzylindermotor und mehreren Querverbindungen. 3 an embodiment with an eight-cylinder engine and multiple cross connections.

1 zeigt rein schematisch einen Vierzylindermotor 1. Von jedem der vier Zylinder gehen Krümmerrohre 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 aus, von denen sich jeweils zwei vor einem der beiden motornahen Katalysatoren 3.1, 3.2 vereinigen. An die Katalysatoren 3.1, 3.2 schließen sich Vorrohre 4.1, 4.2 an, die sich an einer Vereinigungsstelle 5 vereinigen. Die Abgase verlassen die Abgasanlage am Endrohr 6. 1 shows purely schematically a four-cylinder engine 1 , From each of the four cylinders go manifold pipes 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 out of which two each in front of one of the two close-coupled catalysts 3.1 . 3.2 unite. To the catalysts 3.1 . 3.2 Close Vorrohre 4.1 . 4.2 at, who joined a union office 5 unite. The exhaust gases leave the exhaust system at the tailpipe 6 ,

Wie die Zeichnung zeigt, sind die Krümmerrohre 2.1 ... 2.4 kurz, die Vorrohre 4.1, 4.2 dagegen lang ausgeführt. Zwischen die Vorrohre 4.1, 4.2 ist eine Querverbindung 9 eingeführt, in die ein Hahn 10.1, ein Ventil bzw. eine Klappe eingesetzt ist, mit deren Hilfe der wirksame Querschnitt der Querverbindung 9 variierbar ist. Ist der Hahn 10.1 zu, vereinigen sich die Vorrohre 4.1, 4.2 erst an der Vereinigungsstelle 5. Ist der Hahn 10.1 offen, vereinigen sich die Vorrohre 4.1, 4.2 bereits im Bereich der Querverbindung 9 und haben somit eine deutlich kürzere effektive Länge.As the drawing shows, the manifold pipes 2.1 ... 2.4 in short, the pre-pipes 4.1 . 4.2 long run. Between the pre-pipes 4.1 . 4.2 is a cross connection 9 introduced into which a cock 10.1 , A valve or a flap is used, with the help of the effective cross-section of the cross-connection 9 is variable. Is the cock 10.1 to, the Vorrohre unite 4.1 . 4.2 only at the association office 5 , Is the cock 10.1 open, the Vorrohre unite 4.1 . 4.2 already in the area of the cross connection 9 and thus have a much shorter effective length.

Um den Querschnitt der Querverbindung 9 zu variieren, wird der Hahn 10.1 in Abhängigkeit von der Motordrehzahl mehr oder weniger geöffnet.To the cross section of the cross connection 9 to vary, the cock becomes 10.1 depending on the engine speed more or less open.

2 zeigt das Ergebnis der erfindungsgemäßen Maßnahme für die Abgasanlage der 1. 2 shows the result of the inventive measure for the exhaust system of 1 ,

Die gepunktete Linie zeigt den Verlauf von Motordrehmoment (links) und Motorleistung (rechts) in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, wenn die Querverbindung 9 völlig geschlossen ist. In diesem Fall ist die effektive Länge der Vorrohre 4.1, 4.2 maximal. Man erkennt, dass das Motordrehmoment bei kleinen und mittleren Drehzahlen relativ hoch, die Motorleistung dagegen reduziert ist.The dotted line shows the curve of engine torque (left) and engine power (right) as a function of engine speed when the cross connection 9 is completely closed. In this case, the effective length of the pre-pipes is 4.1 . 4.2 maximum. It can be seen that the engine torque is relatively high at low and medium speeds, the engine power is reduced.

Die gestrichelte Linie zeigt den Verlauf von Motordrehmoment und Motorleistung, wenn die Querverbindung 9 völlig geöffnet ist. In diesem Fall haben die Vorrohre 4.1, 4.2 ihre geringste effektive Länge. Die Motorleistung ist deutlich höher, dafür hat das Motordrehmoment im Bereich der kleinen und mittleren Drehzahlen einen deutlichen Einbruch.The dashed line shows the progression of engine torque and engine power when the cross link 9 is completely open. In this case, the pre-pipes have 4.1 . 4.2 their lowest effective length. The engine power is significantly higher, but the engine torque in the range of small and medium speeds has a significant slump.

Die durchgezogene Linie zeigt den Verlauf von Motordrehmoment und Motorleistung, wenn der Querschnitt der Querverbindung 9 zwischen den Vorrohren 4.1, 4.2 in Abhängigkeit von der Motordrehzahl optimal variiert wird. Man erkennt, dass das Motordrehmoment bei kleinen und mittleren Drehzahlen durch Feinabstimmung der Querverbindung noch weiter erhöht werden kann. Es können sogar höhere Drehmomentwerte erreicht werden als bei den Stellungen "Auf" oder "Zu". Die Motorleistung bewegt sich in allen Fällen zwischen den beiden zuvor beschriebenen Extremen.The solid line shows the course of engine torque and engine power when the cross-section of the cross-link 9 between the pre-pipes 4.1 . 4.2 is optimally varied depending on the engine speed. It can be seen that the engine torque at low and medium speeds can be further increased by fine-tuning the cross-connection. Even higher torque values can be achieved than with the "open" or "closed" positions. The engine power always moves between the two extremes described above.

Mit "Eff. 1" ist der positive Effekt der Erfindung bei ca. 1000 rpm hervorgehoben, mit "Eff. 2" der positive Effekt bei ca. 1500 rpm. Bei "Eff. 3" erkennt man den positiven Effekt der geschlossenen Querverbindung, bei "Eff. 4" den der geöffneten Querverbindung.With "Eff. 1" is the positive Effect of the invention highlighted at about 1000 rpm, with "Eff. 2" the positive effect at approx. 1500 rpm. At "Eff. 3 "you can see the positive effect of the closed cross-connection, with "Eff. 4" that of the opened one Cross-connection.

Um den Querschnitt der Querverbindung 9 zwischen den Vorrohren 4.1, 4.2 variieren zu können, wird wie in 1 dargestellt die Motordrehzahl mit einem Drehzahlmesser 20 gemessen, der daraus ein Steuersignal ableitet, mit dem ein Stellorgan 30.1 angesteuert wird, welches den Hahn 10.1 in der Querverbindung 9 verstellt.To the cross section of the cross connection 9 between the pre-pipes 4.1 . 4.2 Being able to vary will be like in 1 represented the engine speed with a tachometer 20 measured, which derives therefrom a control signal, with which an actuator 30.1 which is the cock 10.1 in the cross connection 9 adjusted.

3 zeigt eine erweitere Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre. Hier ist als Verbrennungsmotor 1 ein Achtzylinder-V-Motor mit zwei Krümmern vorgesehen. Die Krümmerrohre 2.10, 2.20 führen in zwei motornahe Katalysatoren 3.3, 3.4. Vor den Katalysatoren 3.3, 3.4 ist bereits eine erste Querverbindung 9.1 mit eingesetztem steuerbaren Hahn 10.1 vorgesehen. Hinter den Katalysatoren 3.3, 3.4 beginnen die Vorrohre 4.1, 4.2, in die beispielsweise Dieselrußpartikelfilter 3.5, 3.6 eingesetzt sind. Anstelle von Partikelfiltern können auch weitere Katalysatoren oder auch schalldämpfende Elemente vorgesehen sein. Zwischen die Vorrohre 4.1, 4.2 sind weitere Querverbindungen 9.2, 9.3 mit den Querschnitt variierenden Hähnen oder Klappen 10.2, 20.3 eingesetzt. Jeder Hahn oder jede Klappe 10.1, 10.2, 10.3 wird durch ein eigenes Stellorgan 30.1, 30.2, 30.3 abhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 angesteuert. 3 shows an extended application of the teaching of the invention. Here is as an internal combustion engine 1 an eight-cylinder V-engine with two bends provided. The manifold pipes 2.10 . 2.20 lead into two close-coupled catalysts 3.3 . 3.4 , Before the catalysts 3.3 . 3.4 is already a first cross connection 9.1 with inserted controllable cock 10.1 intended. Behind the catalysts 3.3 . 3.4 start the pre-pipes 4.1 . 4.2 into which, for example, diesel particulate filters 3.5 . 3.6 are used. Instead of particle filters and other catalysts or sound-absorbing elements may be provided. Between the pre-pipes 4.1 . 4.2 are further cross connections 9.2 . 9.3 with cross-section varying taps or flaps 10.2 . 20.3 used. Every cock or every flap 10.1 . 10.2 . 10.3 is through its own actuator 30.1 . 30.2 . 30.3 depending on the speed of the internal combustion engine 1 driven.

Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die Anwendung bei Vier- oder Achtzylindermotoren beschränkt ist, sondern in gleicher Weise auch bei Motoren mit anderen Zylinderzahlen einsetzbar ist. Des weiteren ist darauf hinzuweisen, dass Querverbindungen mit variablem Querschnitt auch direkt zwischen zwei benachbarten Krümmerrohren oder zwischen Krümmerrohren benachbarter Zylinderbänke angeordnet werden können. Dank der Querschnittsvariation lässt sich die effektive Länge der Rohre während des Betriebs in Abhängigkeit von der Motordrehzahl stufenlos verändern. Das Steuersignal selbst kann ohne weiteres von der Motorelektronik erzeugt werden.It is understood that the invention is not limited to the application in four- or eight-cylinder engines, but is equally applicable to engines with different numbers of cylinders. Furthermore, it should be noted that cross-connections with variable cross-section can also be arranged directly between two adjacent manifold pipes or between manifold pipes of adjacent cylinder banks. Thanks to the cross section variation allows the effective length of the tubes during operation depending on the engine speed varies continuously. The control signal itself can easily be generated by the engine electronics.

Es versteht sich ferner, dass nach demselben erfindungsgemäßen Prinzip auch die Ansauganlage der Motoren aufgebaut werden kann, um durch drehzahlabhängiges Verändern des Querschnitts der wenigstens einen Querverbindung Motorleistung, Motordrehmoment und Motorgeräusch zu verbessern.It It is further understood that according to the same inventive principle Also, the intake of the engines can be constructed to change by speed-dependent Cross section of the at least one cross-connection engine power, engine torque and engine noise to improve.

Claims

Intake or exhaust system for motor vehicles with internal combustion engine ( 1 ), comprising - at least one elbow, - elbow pipes ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ; 2.10 . 2.20 ), - possibly close-coupled catalysts ( 3.1 . 3.2 ), Optionally further catalysts, particulate filters ( 3.3 . 3.4 . 3.5 . 3.6 ) and / or silencers, - pre-pipes ( 4.1 . 4.2 ) or intake pipes, - a junction ( 5 ) of the pre-pipes or intake pipes - and optionally a tailpipe ( 6 ), characterized by the feature: - between the pre-pipes ( 4.1 . 4.2 ) or intake pipes is at least one cross-connection ( 9 ) whose cross-section as a function of the speed of the engine ( 1 ) is variable.

Exhaust system according to claim 1, characterized by the feature: - in the transverse connection ( 9 ) is a cock ( 10 ) used.

Exhaust system according to claim 1, characterized by the feature: - in the transverse connection ( 9 ) is a valve used.

Exhaust system according to claim 1, characterized by the feature: - in the transverse connection ( 9 ) a flap is inserted.

Exhaust system according to at least one of claims 1 to 4, characterized by the feature: - the position of the transverse connection ( 9 ) along the pre-pipes or intake pipes is variable.

Exhaust system according to one of claims 1 to 4, characterized by the feature: - there are several cross connections ( 9.1 . 9.2 . 9.3 ) intended.

Exhaust system according to claim 6, characterized by the feature: - between every two cross connections ( 9.1 . 9.2 . 9.3 ) are catalysts, particulate filters ( 3.3 . 3.4 . 3.5 . 3.6 ), Muffler and / or muffler elements arranged.

Exhaust system according to one of claims 1 to 7, characterized by the feature: - a tachometer ( 20 ) supplies a control signal to at least one actuator ( 30.1 . 30.2 . 30.3 ), which is at least one of the cross-section of the cross-connection ( 9 ; 9.1 . 9.2 . 9.3 ) varying elements ( 10.1 . 10.2 . 10.3 ).