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Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
EP 0 851 103 A2 ist eine Abgasanlage eines 2-Takt-Verbrennungsmotors bekannt, bei welcher innerhalb eines zylindrischen Abschnitts der Abgasleitung ein längsbewegliches Element angeordnet ist. Die Leistungsentfaltung bei 2-Takt-Motoren wird stark von der wirksamen Länge der Abgasleitung beeinflusst, da der Füllgrad des Zylinders drehzahlabhängig davon abhängt, ob die schwingende Gassäule in der Abgasleitung eine Resonanzfrequenz erreicht oder nicht. Durch den verstellbaren Resonanzkörper kann die wirksame Länge der Abgasanlage beeinflusst werden und somit über ein erweitertes Drehzahlband eine Resonanz der Abgassäule innerhalb der Abgasleitung ermöglicht werden.
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Aus der
DE 10 2011 054 026 A1 ist eine Rückstromsperre für Abgasleitungen von Heizungsanlagen bekannt. Ein in der Abgasleitung längsbeweglicher Körper kann durch den Abgasstrom angehoben werden. Wenn die Heizung nicht in Betrieb ist, wird auf diese Weise die Abgasleitung automatisch verschlossen.
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Bei Verbrennungskraftmaschinen sind üblicherweise Partikel im Abgas enthalten. Wenn es sich beispielsweise um Schwefelpartikel handelt, können diese korrosionsfördernd wirken. Wenn es sich um Rußpartikel handelt, können diese zu unerwünschten Verschmutzungen führen. Hinzu kommt, dass sämtliche Partikel, insbesondere wenn sie lungengängig sind, die Gesundheit gefährden können. Auf Schiffen kann sich beispielsweise das Problem ergeben, dass je nach der herrschenden Windstärke aus dem oberen Auslass einer aufrecht verlaufenden Abgasleitung der Abgasstrom mit einer so geringen Austrittsgeschwindigkeit austritt, dass die Abgase in der Nähe der Abgasleitung nach unten niedergehen, so dass Bereiche des Schiffs selbst und auch sich dort aufhaltende Personen den Partikeln ausgesetzt sind. Bei gleichen Witterungsbedingungen, aber einem größeren Abgasstrom, z. B. weil die Verbrennungskraftmaschine mit einer höheren Drehzahl betrieben wird, strömt das Abgas mit einer größeren Geschwindigkeit aus dem Auslass der Abgasleitung und schießt in eine größere Höhe, bevor es dann in eine etwa horizontale und insbesondere schräg nach unten abfallende Abgasschleppe umgelenkt wird. Die höheren Abgasgeschwindigkeiten führen also zu einem Phänomen, welches als virtuelle Verlängerung der Abgasleitung bezeichnet wird und welches dazu führt, dass die Partikel in größerer Entfernung von der Abgasleitung und nicht mehr auf dem Schiff niedergehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Abgasanlage dahingehend zu verbessern, dass diese auch bei geringeren Abgasströmen eine virtuelle Verlängerung der Abgasleitung ermöglicht und die dafür erforderliche hohe Austrittsgeschwindigkeit des Abgases aus dem Auslass der Abgasleitung unter Beibehaltung einer robusten und technisch einfachen Ausgestaltung der Abgasanlage gewährleistet.
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Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, auf einem Schiff die virtuelle Verlängerung der Abgasleitung auch bei geringen Abgasströmen der Verbrennungskraftmaschine zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Abgasanlage nach Anspruch 1 gelöst sowie dadurch, eine solche Abgasanlage auf einem Schiff zu verwenden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, dass sich die Innenkontur der Abgasleitung zum Auslass hin erweitert. In Abstimmung mit dieser Erweiterungsstelle der Abgasanleitung ist der Drosselkörper vorschlagsgemäß dort angeordnet, dass er bei seiner Bewegung in Längsrichtung der Abgasleitung unterschiedliche Spaltquerschnitte bewirkt. Anders als der eingangs erwähnte Resonanzkörper im zylindrischen Abschnitt einer 2-Takt-Abgasleitung bleibt der Spaltquerschnitt um den Drosselkörper herum nicht gleich, auch bei verschiedenen Stellungen des Körpers, sondern verändert sich. Dabei ist der Drosselkörper in der Weise in der Nähe der Erweiterungsstelle der Abgasleitung angeordnet, dass der Spaltquerschnitt größer wird, wenn der Drosselkörper näher zum Auslass der Abgasleitung gerät.
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Die Stellung, die der Drosselkörper einnimmt, wenn der Spaltquerschnitt am kleinsten ist, wird im Rahmen des vorliegenden Vorschlags als Schließstellung bezeichnet. Dabei ist allerdings die Abgasleitung nicht vollständig verschlossen, der Spaltquerschnitt also gleich null, sondern als Schließstellung wird die am Weitesten geschlossene Stellung des Drosselkörpers bezeichnet, in welcher der Spaltquerschnitt immer noch einen gewissen Durchlass für das Abgas sicherstellt. Die Stellung des Drosselkörpers, in welcher er den größten Spaltquerschnitt ermöglicht, wird als Offenstellung bezeichnet.
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Im Betrieb wirkt eine vorschlagsgemäß ausgestaltete Abgasanlage in der Weise, dass bei höheren Abgasströmen der Druck des Abgases den Drosselkörper zum Auslass der Abgasleitung drängt und damit den Drosselkörper in seine Offenstellung drängt. Bei geringeren Abgasströmen jedoch kann der Drosselkörper in Richtung seiner Schließstellung bewegt werden, um durch den damit einhergehenden kleineren Spaltquerschnitt nach wie vor hohe Austrittsgeschwindigkeiten des Abgases am Auslass der Abgasleitung sicherzustellen und damit die gewünschte virtuelle Verlängerung der Abgasleitung zu bewirken.
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Durch die vorschlagsgemäße Ausgestaltung besteht die Möglichkeit, die Abgasanlage ohne eine komplizierte, technisch aufwendige und teure konstruktive Änderung so auszugestalten, dass die erwähnte virtuelle Verlängerung der Abgasleitung erreicht wird. Beispielsweise kann auf eine motorische Verstellung des Drosselkörpers verzichtet werden, und dementsprechend ist auch keine elektronische Steuerung erforderlich, um beispielsweise die erwähnten motorischen Stellelemente in Abhängigkeit von bestimmten Betriebszuständen des Motors anzusteuern. Nahe dem Auslassende einer Schiffs-Abgasanlage können beispielsweise Temperaturen von 500 °C bis 600 °C herrschen, und aufgrund der schlagartigen Abkühlung, wenn der Abgasstrom die Abgasleitung verlässt, treten in diesem Bereich häufig Kondensationserscheinungen auf. Insbesondere bei einer aufrechten Abgasleitung gelangt das Kondensat in das Innere der Abgasleitung, so dass beispielsweise Schwefelanteile, die im Abgas enthalten sind, in hohem Maße korrosionsfördernd sind. Hinzu kommt in maritimer Umgebung die ohnehin salzhaltige Luft, die ebenfalls einen korrosionsfördernden Einfluss hat, beispielsweise wenn ein Schiff mehrere Wochen im Hafen liegt und der Antriebsmotor bzw. die Hauptmaschine nicht läuft und in Folge die Umgebungsatmosphäre in das Innere der Abgasleitung gelangen kann.
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Die genannten chemischen und thermischen Einflüsse setzen mechanisch komplizierten Einrichtungen mit mehreren verstellbaren Elementen erheblich zu, so dass diese nach einer vergleichsweise kurzen nutzbaren Lebensdauer erheblichen Beeinträchtigungen unterliegen. Hinzu kommt der wirtschaftliche Aufwand für die mechanischen Elemente selbst sowie für deren Stellmotoren, und zudem der wirtschaftliche Aufwand, um die mechanisch verstellbaren Elemente stets in die jeweils gewünschte Position bringen zu können: um die Stellmotoren korrekt ansteuern zu können, müssen entweder Sensoren installiert werden, um im Abgas tatsächlich vorliegende Werte wie z. B. Drücke zu ermitteln, oder es sind Eingriffe in die Motorsteuerung erforderlich, um anhand von Kennwerten bzw. Kennfeldern bestimmten Betriebszuständen des Motors die gewünschten Stellungen der verstellbaren mechanischen Elemente zuzuordnen.
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Ein besonders einfacher Betrieb der Abgasanlage, insbesondere eine besonders einfache Verstellung des Drosselkörpers wird dadurch unterstützt, dass der Drosselkörper mit zunehmender Nähe zum Auslass der Abgasleitung in seine Offenstellung gerät, so dass er beispielsweise bei hohen Abgasströmen nicht gegen einen erheblichen Widerstand gegen die Strömungsrichtung des Abgases in seine Offenstellung bewegt werden muss, sondern vielmehr vom Abgasstrom unterstützt in seine Offenstellung gerät.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann dies dazu führen, dass der Drosselkörper ausschließlich durch das Abgas selbst seine verschiedenen Stellungen zwischen Schließstellung und Offenstellung einnimmt. Bei einer liegend verlaufenden Abgasleitung kann beispielsweise der Drosselkörper federbelastet in seiner Schließstellung gehalten werden und durch den Abgasstrom in seine Offenstellung gedrängt werden, unter Überwindung der Federkraft.
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Und wenn die Abgasleitung aufrecht verläuft und ihr Auslass oben angeordnet ist, kann der dementsprechend auf und ab bewegliche Drosselkörper ggf. ohne zusätzliche Hilfsmittel allein aufgrund der Gewichtskraft automatisch seine Schließstellung einnehmen und bei zunehmendem Abgasstrom durch das Abgas selbst angehoben werden, indem der Abgasstrom lediglich die Gewichtskraft des Drosselkörpers überwinden muss.
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Eine besonders präzise Einstellung der gewünschten Spaltquerschnitte kann mit Hilfe eines Stellmotors und einer damit zusammenwirkenden elektronischen Steuerung erfolgen, so dass mittels des Stellmotors der Drosselkörper präzise in eine gewünschte Position gebracht werden kann. Beispielsweise können messtechnisch erfasste Werte, wie die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in der Abgasleitung, oder der Druck des Abgases innerhalb der Abgasleitung, oder eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine mittels der elektronischen Steuerung ausgewertet werden, und anhand von in einer Datenbank hinterlegten Werten kann dann den messtechnisch erfassten Parametern die optimale Stellung des Drosselkörpers zugeordnet werden, so dass anschließend mittels der Steuerung auf den Stellmotor eingewirkt wird und dieser den Drosselkörper in die gewünschte, optimale Position führt.
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Um die optimale Geometrie des Spalts zu gewährleisten, und um Verkantungen oder sonstige Fehlstellungen des Drosselkörpers innerhalb der Abgasleitung sicher auszuschließen, kann der Drosselkörper vorteilhaft entlang einem Führungselement innerhalb der Abgasleitung beweglich sein. Dieses Führungselement erstreckt sich in Längsrichtung durch die Abgasleitung. Es kann sich dabei beispielsweise um mehrere Rippen handeln, die sich von der Wand der Abgasleitung radial nach innen erstrecken, wobei der Drosselkörper dementsprechende Nuten aufweist, in welche sich diese Rippen hinein erstrecken. Eine besonders einfache Ausgestaltung des Führungselementes kann darin bestehen, dass entlang der Mittelachse der Abgasleitung eine Führungsstange verläuft, die sich durch eine zentrale Bohrung des Drosselkörpers erstreckt. Halterungen, welche diese Führungsstange innerhalb der Abgasleitung fixieren, können dabei gleichzeitig auch als Anschläge dienen, gegen welche der Drosselkörper in seinen beiden Endlagen gerät, so dass mittels derartiger Halterungen die Offenstellung und die Schließstellung des Drosselkörpers präzise definiert sind.
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Rein beispielhaft kann in einer ersten Ausgestaltung der Drosselkörper als Scheibe ausgestaltet sein, die im Wesentlichen quer innerhalb der Abgasleitung angeordnet ist. Dadurch, dass diese Scheibe ihren Abstand von der Erweiterungsstelle der Abgasleitung verändert, wird der gewünschte unterschiedlich große Spaltquerschnitt ermöglicht.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann der Drosselkörper als Kegel ausgestaltet sein, dessen Mittelachse längs zur Längsachse der Abgasleitung verläuft, so dass dieser Kegel innerhalb der Abgasleitung längs ausgerichtet ist. Je nach Ausgestaltung der Innenkontur der Abgasleitung kann sich ein derartiger Drosselkörper nicht nur auf einer Seite von der Erweiterungsstelle befinden, sondern sich durch die Erweiterungsstelle hindurch erstrecken. Die Ausgestaltung als Kegel bzw. Kegelstumpf ermöglicht im Vergleich zur Verwendung einer Scheibe eine verwirbelungsärmere Führung des Abgasstroms. Vorteilhaft kann die Abgasanlage der Art ausgestaltet sein, dass beispielsweise bei längeren Ruhezeiten des Schiffsmotors und trotz der in der Abgasanlage herrschenden, korrosionsfördernden Bedingungen ein Festsetzen des Drosselkörpers vermieden wird. Bei derartigen Ruhezeiten nimmt der Drosselkörper seine Schließstellung ein.
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Vorteilhaft kann zu diesem Zweck beispielsweise in einer ersten Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Drosselkörper in seiner Schließstellung in Bewegung gehalten wird. Beispielsweise kann mittels Federelementen der Drosselkörper entlastet werden, so dass er in einer aufrechten Abgasanlage nicht mit seinem vollständigen Eigengewicht auf einem Anschlag aufliegt. Vielmehr bewirkt die Entlastung, dass der Drosselkörper bei natürlichen Bewegungen, die bei einem Schiff beispielsweise durch Wind oder Wellengang verursacht werden, der Drosselkörper Relativbewegungen zur Abgasleitung ausführt, die das erwähnte Festsetzen verhindern.
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In einer zweiten Ausgestaltung kann mittels Magneten, die abstoßende Kräfte bewirken, eine solche Entlastung wie oben beschrieben bewirkt werden, oder es kann sogar ein direkter Kontakt des Drosselkörpers mit benachbarten Elementen der Abgasleitung verhindert werden, so das der Drosselkörper tatsächlich frei schwebend in der Abgasleitung gehalten ist.
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Wenn der Drosselkörper in aufrechter Richtung zwischen seiner Schließstellung und seiner Offenstellung beweglich ist, kann eine einfache Anpassung des Drosselkörpers an eine bestimmte Charakteristik des Motors und der Abgasanlage durch die Wahl des geeigneten Eigengewichts des Drosselkörpers erfolgen. Hierdurch wird gewährleistet, dass bei bestimmten Betriebszuständen des Motors und dementsprechend bei bestimmten Abgasströmen und in der Abgasleitung herrschenden Drücken der Drosselkörper um ein bestimmtes Maß angehoben und in eine bestimmte Position gebracht wird. Hinzu kommt der entsprechende Querschnittsverlauf der Abgasleitung, so dass bestimmten Positionen des Drosselkörpers eine bestimmte freie - z. B. ringförmige - Querschnittsfläche der Abgasleitung zugeordnet ist.
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Die Einstellung des Eigengewichts des Drosselkörpers kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Drosselkörper als Hohlkörper ausgestaltet ist, so dass der Drosselkörper mit Sand oder anderem temperaturbeständigem Material gefüllt werden kann. Diese Ausgestaltung als Hohlkörper kann beispielsweise auch bei solchen Drosselkörpern verwirklicht werden, deren geometrische Körperform idealisiert lediglich zweidimensional ist, wie z.B. eine Scheibe.
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Besonders vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass das Eigengewicht des Drosselkörpers nicht nur werkseitig bestimmbar ist und eingestellt wird, sondern dass eine Einstellung oder auch eine spätere Justierung des Eigengewichts individuell möglich ist. Hierzu kann der als Hohlkörper ausgestaltete Drosselkörper vorteilhaft eine Befüll- und Entnahmeöffnung aufweisen.
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Zur Beeinflussung des Eigengewichts kann der Drosselkörper an seiner gut zugänglichen Oberseite eine oder mehrere Halterungen aufweisen, die mit Zusatzgewichten bestückt werden können. Beispielsweise kann die Halterung als Stift ausgestaltet sein, auf welchen ringförmige Zusatzgewichte aufgeschoben werden können.
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Beide erwähnten Möglichkeiten der Gewichtsbeeinflussung können jeweils ausschließlich Anwendung finden, sie können jedoch auch kombiniert sein: beispielsweise kann werkseitig dem Drosselkörper mittels einer bestimmten Füllmenge ein bestimmtes Eigengewicht verliehen sein. Der dementsprechend gefüllte Drosselkörper kann werkseitig versiegelt werden. Eine spätere Justierung kann durch die Zusatzelemente erfolgen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der rein schematischen Darstellungen nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 einen Vertikalschnitt durch einen auslassnahen Bereich einer aufrechten Abgasleitung, mit einer den freien Querschnitt der Abgasleitung verringernden Ringscheibe und einem kegelstumpfförmigen Drosselkörper,
- 2 eine Ansicht ähnlich 1, mit einer sich konisch erweiternden Abgasleitung,
- 3 eine Ansicht ähnlich 2, mit einer sich stufig erweiternden Abgasleitung, und
- 4 eine Ansicht ähnlich 2, mit einem scheibenförmigen Drosselkörper.
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In den Zeichnungen ist jeweils mit 1 eine Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine eines Schiffes dargestellt. Dabei ist die Abgasanlage 1 lediglich ausschnittsweise dargestellt, und zwar der Bereich nahe ihrem nach oben weisenden Auslass 2. Die Abgasanlage 1 umfasst eine Abgasleitung 3, deren Innenkontur eine Erweiterungsstelle 4 aufweist. Im Bereich der Erweiterungsstelle 4 ist innerhalb der Abgasleitung 3 ein Drosselkörper 5 angeordnet, der bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 als Kegelstumpf ausgestaltet ist, also kegelförmig, und beim Ausführungsbeispiel der 4 als Scheibe ausgestaltet ist, die quer innerhalb der Abgasleitung 3 liegt.
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In sämtlichen Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass der Drosselkörper 5 mittels eines Führungselementes 6 in aufrechter Richtung, nämlich in axialer Richtung der Abgasleitung 3, geführt ist. Hierzu erstreckt sich das Führungselement 6 durch eine mittlere Bohrung des Drosselkörpers 5. Abweichend von den rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen kann der Drosselkörper 5 nicht nur an einem einzigen, zentral verlaufenden, stabförmigen, sondern an mehreren verteilt angeordneten stabförmigen Führungselementen 6 geführt sein, die sich durch separate Bohrungen oder eine gemeinsame gezahnte bzw. blütenblattförmige Ausnehmung des Drosselkörpers erstrecken. Oder der Drosselkörper 5 kann von außen in der Abgasleitung geführt werden: beispielsweise durch Führungsrippen, die von der Wand der Abgasleitung nach innen ragen und den Drosselkörper 5 über die Länge seines Verstellweges führen. Eine oder mehrere Führungsrippen können radial nach innen ragende Vorsprünge aufweisen oder gegenüberliegende Führungsrippen können durch Querstreben verbunden sein, um jedenfalls Anschläge zu bilden, welche die Bewegungen des Drosselkörpers 5 in einer oder in beiden Richtungen begrenzen.
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Das Führungselement 6 ist bei den dargestellten Ausführungsbeispielen als eine Stange ausgestaltet ist, die sich entlang der Mittelachse durch die Abgasleitung 3 erstreckt. Das stangenförmige Führungselement 6 ist dabei mit Hilfe von Halterungen 7 an der Wand der Abgasleitung 3 befestigt. Die Halterungen 7 begrenzen gleichzeitig auch den Bewegungsweg des Drosselkörpers 5 entlang dem Führungselement 6. Die Halterungen 7 können daher in einer solchen Höhe an das Führungselement 6 anschließen, dass durch die so gebildeten Anschläge die Schließstellung und die Offenstellung des Drosselkörpers 5 bestimmt sind.
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Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Halterungen 7 als schmale Speichen ausgestaltet, wobei um den Umfang der das Führungselement 6 bildenden Stangen beispielsweise jeweils zwei, drei oder mehr Speichen verteilt angeordnet sein können, um das Führungselement 6 zuverlässig innerhalb der Abgasleitung 3 zu halten. Die Ausgestaltung als schmale Speichen stellt sicher, dass die Halterungen 7 keine unerwünschte Beeinträchtigung des freien Querschnitts der Abgasleitung 3 darstellen. Vielmehr erfolgt eine Querschnittsveränderung ausschließlich durch die Bewegung des jeweiligen Drosselkörpers 5.
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Zwischen dem Drosselkörper 5 und der Erweiterungsstelle 4 ergibt sich bei den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils ein ringförmiger Spalt 8. Je weiter der Drosselkörper 5 zum Auslass 2 der Abgasleitung 3 bewegt wird, desto größer wird der Spaltquerschnitt. Dementsprechend kann eine besonders einfache Ansteuerung des Drosselkörpers 5 dadurch ermöglicht werden, dass in Abstimmung auf die jeweiligen Verhältnisse der Verbrennungskraftmaschine und der Abgasanlage 1, insbesondere dem jeweiligen Abgasstrom, das Gewicht des Drosselkörpers 5 in der Art gewählt wird, dass der Drosselkörper 5 allein aufgrund des Abgasstroms angehoben oder abgesenkt wird. Für geringere Abgasströme bedeutet dies, dass diese nicht ausreichen, um den Drosselkörper 5 bis in seine Offenstellung anzuheben, so dass der Drosselkörper 5 dementsprechend eine Position unterhalb seiner höchstmöglichen Stellung, nämlich seine Offenstellung einnimmt. Bei entsprechend niedrigen Abgasströmen kann der Drosselkörper 5 dementsprechend seine am weitesten unten vorgesehene Schließstellung einnehmen, in denen die Querschnittsgröße des Spaltes 8 minimal ist. Dieser vergleichsweise kleine verbleibende Ringspalt bewirkt eine hohe Strömungsgeschwindigkeit auch bei geringen Abgasströmen, so dass hierdurch die gewünschte virtuelle Verlängerung der Abgasleitung 3 bewirkt wird. Höhere Abgasströme führen dazu, dass die Gewichtskraft des Drosselkörpers 5 überwunden wird und der Drosselkörper 5 durch den Abgasstrom aus seiner Schließstellung angehoben wird und ggf. bis in seine maximale Öffnungsstellung, nämlich seine Offenstellung, angehoben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasanlage
- 2
- Auslass
- 3
- Abgasleitung
- 4
- Erweiterungsstelle
- 5
- Drosselkörpers
- 6
- Führungselement
- 7
- Halterung
- 8
- Spalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0851103 A2 [0002]
- DE 102011054026 A1 [0003]
