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Die Erfindung betrifft eine abgasführende Vorrichtung einer Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens zwei mit unterschiedlichen Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine verbundenen Abgasleitungen, die an einer Koppelungsstelle, in der ein Ventil sitzt, bei entsprechender Ventilstellung miteinander strömungsverbunden sind.
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Solche Vorrichtungen werden insbesondere bei Kraftfahrzeugen eingesetzt, bei denen jede Abgasleitung wenigstens einem Verbrennungsraum zugeordnet ist. Durch die Koppelungsstelle können sich bereits bei teilweise geöffnetem Ventil die Abgasströme, aber auch die mit ihnen verbundenen Geräusche bzw. Druckpulsationen gegenseitig beeinflussen. Durch gezieltes Öffnen (worunter auch teilweises Öffnen fällt) und Schließen (worunter auch teilweises Schließen fällt) läßt sich eine Geräuschmodulation erzielen, und darüber hinaus ist es sogar möglich, leistungssteigernden Einfluß auf die Abläufe in der Brennkammer zu nehmen. Durch ein langsames, quasi statisches Öffnen des Ventils kommt es zu einem Mischen der Massenströme und einem Austausch der Gasstränge. Bewegt man das, üblicherweise als Klappe ausgeführte Ventil schnell und oszillierend, insbesondere um verschiedene Mittenstellungen, kommt es bei phasenrichtiger Einkoppelung des durch die Ventilbewegung erzeugten Signals neben den beschriebenen Effekten bei langsamem Öffnen zu einem schallreduzierenden Effekt. Wenn die Schwingungssäule zeitlich so auf die Taktung in der Brennkammer ausgerichtet ist, dass zum Auslaßzeitpunkt ein Unterdruck am Auslaß aufgrund der Schwingungssäule vorherrscht, unterstützt dies den Ladungswechsel. Ordnet man die Koppelungsstelle näher am Motorauslaß an (üblicherweise in der Fahrzeugmitte z. B. im Bereich des Mittelschalldämpfers, so ist der Einfluß auf die Motorcharakteristik größer, positioniert man die Koppelungsstelle näher zum Ende der Abgasvorrichtung, so überwiegen die Einflüsse auf das Geräuschspektrum.
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Die
US 4 860 538 A beschreibt eine abgasführende Vorrichtung, bei welcher die von unterschiedlichen Brennräumen ausgehenden Abgasleitungen in eine gemeinsame Kammer münden und in dieser Kammer aufeinander zu laufen. Die Enden der Abgasleitungen liegen nebeneinander und überlappen sich in Draufsicht. In den Rohren nahe an ihren Enden sitzt jeweils ein Klappenventil, wobei beide Klappenventile an einer gemeinsamen Antriebsachse befestigt sind. Von der gemeinsamen Kammer gehen dann Auspuffendrohre mit integrierten Schalldämpfern aus.
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Die
DE 647 118 A offenbart eine Abgasanlage für ein Motorrad mit zwei Abgasleitungen, die vom Motor ausgehen. Die erste Abgasleitung mündet über einen Schalldämpfer in die Fahrzeugumgebung, wobei die zweite Abgasleitung in einem geschlossenen Kessel endet. Die beiden Abgasleitungen sind mittels einer Überbrückungsleitung verbunden, wobei eine Drossel in der Überbrückungsleitung vorgesehen sein kann.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte abgasführende Vorrichtung zu schaffen, bei der sehr effektiv durch Koppelung der Abgasstränge auf den Drehmomentverlauf bzw. das Geräuschverhalten Einfluß genommen werden kann.
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Diese Aufgabe wird folgendermaßen gelöst. Die erfindungsgemäße abgasführende Vorrichtung einer Verbrennungskraftmaschine hat wenigstens zwei mit unterschiedlichen Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine verbundene Abgasleitungen, die an einer Koppelungsstelle der Abgasleitungen, in der ein Ventil sitzt, bei entsprechender Ventilstellung miteinander strömungsverbunden sind, so dass ein Gasaustausch von einer der Abgasleitungen in die andere der Abgasleitungen erfolgt, wobei die Abgasleitungen im Bereich der Koppelungsstelle so geführt sind, dass die Strömungen in ihrem Inneren entgegengesetzte Richtungskomponenten haben.
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Bei einer abgasführenden Vorrichtung nach dem Stand der Technik waren die Abgasleitungen parallel zueinander angeordnet, und zusätzlich waren die Strömungen gleich gerichtet. Bei der Erfindung hingegen wird die Koppelung der Strömungen und der Druckwellen dadurch verbessert, dass die Strömungen zumindest entgegengesetzte Richtungskomponenten haben. Das bedeutet, bei geschlossenem Ventil gibt es zumindest eine Richtungskomponente der Strömungen, die nicht parallel und nicht gleichgerichtet zur anderen Strömung liegt bzw. ist, so dass beim Öffnen des Ventils die Strömungen bzw. Pulsationen in gewisser Weise aufeinander prallen und auch die Beeinflussung der Strömungen bzw. Pulsationen größer ist. Es werden durch die Erfindung starke Turbulenzen und Verwirbelungen in den Strömungen erzeugt, die sich akustisch positiv auswirken. „Im Bereich der Koppelungsstelle” soll bedeuten, geringfügig stromauf- und gegebenenfalls stromabwärts der Koppelungsstelle 22 und vorzugsweise auch im Bereich der Koppelungsstelle 22 selbst.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform sind die Strömungsrichtungen insgesamt entgegengesetzt gerichtet, d. h. die Abgasleitungen verlaufen bei geschlossenem Ventil im Bereich der Koppelungsstelle zumindest annähernd parallel zueinander mit entgegengesetzt gerichteten Strömungen in ihrem Inneren.
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Eine konstruktiv einfache Ausführung der Koppelungsstelle läßt sich dadurch erreichen, dass die Abgasleitungen nahe der Koppelungsstelle ein D-förmiges Querschnittsprofil aufweisen. Wenn die zwei Flachseiten des „D” nahe aneinander liegen oder sich berühren, muß die ebene Verbindungswand geöffnet werden, um eine Überströmöffnung zu erhalten.
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Das Ventil ist gemäß der bevorzugten Ausführungsform ein Klappenventil (ähnlich wie ein Klappenventil aufgebaut), welches einfach und robust ist und darüber hinaus für eine gute Strömungsführung sorgt.
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Im geschlossenen Zustand des Ventils sollen die Strömungen voneinander entkoppelt sein.
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Das Ventil ist darüber hinaus zwischen seinen Extremstellungen stufenlos verstellbar, wie die bevorzugte Ausführungsform vorsieht.
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Ferner ist vorgesehen, dass das Ventil zur Veränderung der Druckpulsationen bzw. des Frequenzspektrums im Abgas motorisch angetrieben zwischen Endpositionen (die nicht zwingend die Extremstellungen sein müssen) in Schwingungen versetzt wird. Dadurch läßt sich beispielsweise durch das schwingende Ventil ein vorbestimmtes Frequenzspektrum erzeugen. Das Ventil kann somit sowohl zur Bedämpfung als auch zur Schallerzeugung (zum Zwecke der Überlagerung) bzw. Erzeugung vorbestimmter Druckpulsationen dienen.
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Eine Steuerung des Ventils kann optional die Schwingungen des Ventils in Abhängigkeit von den Druckpulsationen in den Abgasleitungen erzeugen. Da die Druckpulsationen in Abhängigkeit von den Zündzeitpunkten bzw. Zylinderauslaßventilstellungen sind, ist ein Sensor zur Ermittlung der Druckpulsationen unnötig. Vielmehr können die für die Steuerung notwendigen Daten aus der Motorsteuerung übernommen oder abgeleitet werden.
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Eine maximale Beeinflußung der Strömungen bzw. Druckpulsationen wird erreicht, wenn das Ventil in vollständig geöffneter Stellung zwischen 30° und 90° zu den Strömungsrichtungen steht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Ansicht der abgasführenden Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung und
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2 eine vergrößerte Ansicht des mit X umkreisten Bereichs, und
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3 eine Querschnittsansicht durch die Vorrichtung III-III in 1.
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In 1 ist eine abgasführende Vorrichtung 10 einer Verbrennungskraftmaschine, hier eines Fahrzeugmotors 12, dargestellt. Die Kreise im Motor kennzeichnen die einzelnen Zylinder. Jedem Zylinder 14 oder mehreren Zylindern 14 sind Abgasleitungen zugeordnet, die z. B. in eine erste Abgasleitung 16 und eine zweite Abgasleitung 18 münden. Die Pfeile kennzeichnen die jeweilige Hauptströmungsrichtung S16, S18 des Abgases in den Abgasleitungen 16, 18. Die Abgasleitungen 16, 18 führen in ein Schalldämpfergehäuse 20, in welchem eine mit X gekennzeichnete Koppelungsstelle der Abgasleitungen 16, 18 vorhanden ist. Die Koppelungsstelle ist in 2 vergrößert dargestellt und trägt das Bezugszeichen 22. Die einzelnen Abgasleitungen 16, 18 haben jeweils eine Außenwand 24, 26 mit einem D-förmigen Querschnitt (siehe 3), dessen Flachseiten aneinander anliegen. Vor und nach der Koppelungsstelle 22 sind die Abgasleitungen 16, 18 miteinander verschweißt. An der Koppelungsstelle 22 jedoch sind die flachen Abschnitte der Außenwände 24, 26 mit einem Durchbruch versehen, so dass sich eine Überströmöffnung 28 ergibt.
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In der Koppelungsstelle 22 ist darüber hinaus ein Ventil 30 in Form eines Klappenventils mit einem Klappenblatt eines Drosselklappenventils angeordnet, das durch einen schematisch dargestellten Elektromotor 32 in verschiedene Stellungen gedreht werden kann. Der Motor 32 ist mit einer Steuerung 34 gekoppelt, die wiederum vorzugsweise die Motorsteuerung darstellt. „Ventil” bedeutet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht, dass das Ventil die beiden Gasströme im geschlossenen Zustand strikt voneinander trennt, vielmehr könnte man allgemeiner von einer Strömungsverteilfunktion sprechen, die das bei der Erfindung eingesetzte, als Ventil bezeichnete Bauelement erfüllt.
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Das Ventil 30 ist zwischen seinen Extremstellungen, einerseits der waagrechten Stellung und andererseits der senkrechten Stellung, bezogen auf 2, stufenlos verstellbar. In der waagrechten Stellung sind die Abgasleitungen 16, 18 voneinander entkoppelt, so dass annähernd kein oder überhaupt kein Gasaustausch bzw. eine Druckbeeinflussung zwischen den Strömungen in den Abgasleitungen 16 bzw. 18 ermöglicht wird. Sobald jedoch das Ventil 30 aus der horizontalen Stellung heraus ein gewisses Maß geöffnet wird, liegt die Überströmöffnung 22 wenigstens teilweise frei, so dass nicht nur ein Gasaustausch zwischen den Abgasleitungen 16, 18, sondern auch eine wechselseitige Beeinflussung der Druckpulsationen, die auch für das Geräuschbild der Verbrennungskraftmaschine verantwortlich sind, erfolgt. Das Geräuschsspektrum wird durch das Öffnen nicht nur dadurch verändert, dass die beiden Abgasstränge miteinander gekoppelt sind, sondern die durch den Motor 32 gegebenenfalls in Schwingungen versetzte Klappe kann optional die Schwingungen/Pulsationen im Abgas beliebig ändern (dämpfen, überlagern von Druckpulsationen zur Erzeugung von Turbulenzen), so dass ein modifiziertes Geräusch- und Frequenzenspektrum kreiert werden kann. Der „Sound” der Verbrennungskraftmaschine kann damit maßgeschneidert werden. Bei entsprechender Anordnung der Koppelungsstelle 22 zum Motor 12 lassen sich darüber hinaus durch die Ventilbetätigung die Vorgänge im Brennraum der einzelnen Zylinder beeinflussen, so dass beispielsweise ein höheres Drehmoment erreichbar ist. Aus diesem Grund kann die Motorsteuerung 34 abhängig von den Druckpulsationen in den Abgasleitungen 16, 18, die wiederum mit den Zündzeitpunkten und den Öffnungsvorgängen der Ventile einhergehen, das Ventil 30 betätigen.
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Die besondere Effektivität bezüglich Drehmomentsteigerung bzw. Sounddesign wird durch die besondere Strömungsführung erzielt. Wie in den 1 und 2 zu erkennen ist, sind die Abgasleitungen 16, 18 im Bereich der Koppelungsstelle 22 zwar weitestgehend parallel zueinander gerichtet, die Strömungsrichtungen S16 und S18 sind jedoch entgegengesetzt gerichtet. Dadurch werden bereits bei geringer Verschwenkung der Klappe beide Hälften der Klappe gegen die Strömungen in den Abgasleitungen 16, 18 ausgerichtet, so dass beispielsweise ein Teil des Abgases in der Strömung der Leitung 16 (mit unterbrochenen Linien dargestellt), in die Abgasleitung 18 gelenkt und aufgrund der entgegengesetzten Strömungsrichtung der Strömung in der Leitung 18 um 180° umgelenkt wird. Das gleiche passiert mit einem Teil der Strömung in der Leitung 18. Die Hälften des Klappenventils stehen damit entgegen der jeweiligen Strömungsrichtung und wirken wie Weichen. Die Schwingungen, die das Ventil 30 durch den Motor 32 ausführt, müssen nicht zwischen den Extremstellungen, sondern können auch zwischen von den Extremstellungen abweichenden Endstellungen erfolgen. Auch lassen sich natürlich abhängig vom Betriebszustand, z. B. Drehzahl und Last des Motors, die Schwingungsfrequenz und die Endpositionen variieren. Zu betonen ist jedoch nochmals, dass ohne die Signalerzeugung durch das Ventil 30 bereits eine gewünschte gegenseitige Beeinflussung der Strömungen erfolgt, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht zwingend auf die Eigensignalerzeugung durch das Ventil beschränkt ist.
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In der geschlossenen Stellung, in der das Ventil 90° zu den Strömungsrichtungen in den Abgasleitungen 16, 18 steht, verbleibt nur ein relativ geringer Anteil der Strömung in der eigenen Abgasleitung 16, 18, ein Großteil der oder die gesamte Strömung gelangt an der Koppelungsstelle in die andere Abgasleitung 18 bzw. 16.
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Gegebenenfalls wäre in der geöffneten Stellung des Ventils 30 sogar ein komplettes Unterbrechen des Abgasstranges möglich, so dass das Abgas komplett in die gegenüberliegende Abgasleitung wechseln muß.
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Obwohl in den Zeichnungen im Bereich der Koppelungsstelle 22 die Leitungen 16, 18 und damit die Hauptströmungsrichtungen S16 und S18 in etwa parallel und exakt entgegengesetzt gerichtet dargestellt sind, lassen sich bereits Verbesserungen gegenüber herkömmlichen abgasführenden Vorrichtungen dann erreichen, wenn die Strömungsrichtungen S16, S18 entgegengesetzte Richtungskomponenten haben. Dies bedeutet, dass die Strömungen exakt entgegengesetzte Richtungen haben, windschief zueinander (d. h. schräg zueinander versetzt) sind oder in einer Ebene liegend schräg aufeinander zulaufen.
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Grundsätzlich gibt es innerhalb einer Abgasleitung turbulente Strömungen. Die Strömungsrichtungen, auf die es vorliegend ankommt, sind die durch die Richtungen der Abgasleitungen 16, 18 vorgegebenen Hauptströmungsrichtungen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- abgasführende Vorrichtung
- 12
- Fahrzeugmotor
- 14
- Zylinder
- 16, 18
- Abgasleitungen
- 20
- Schalldämpfergehäuse
- 22
- Koppelungsstelle
- 24, 26
- Außenwände
- 28
- Überströmöffnung
- 30
- Ventil
- 32
- Motor
- 34
- Steuerung
- S16, S18
- Strömungsrichtungen
