DE10236732A1

DE10236732A1 - Abgaseinrichtung für eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10236732A1
Application number: DE2002136732
Authority: DE
Inventors: Hans Jelinek
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2004-02-12

Abstract

Mehrflutige Abgaseinrichtung für eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine mit motornahen Abgassträngen und diesen zugeordneten motorfernen Abgassträngen mit einer Schalteinrichtung zum Schalten der Abgasströme der motornahen Abgasstränge zwischen den motorfernen Abgassträngen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgaseinrichtung für eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine mit wenigstens zwei Zylindergruppen sowie diesen zugeordneten Abgassträngen.

Eine derartige mehrflutige Abgasanlage ist beispielsweise mit der DE 101 15 956 A1 bekannt geworden, welche eine Vierzylinderbrennkraftmaschine mit einer zweiflutigen Abgasanlage beschreibt. Die beschriebene Abgasanlage weist eine Übersprechstelle auf, stromab der Übersprechstelle umfasst jeder Abgasstrang einen Vorkatalysator, nachfolgend werden die Abgasstränge zusammengeführt, wobei im folgenden ein NOx-Speicherkatalysator durchströmt wird.

Die Übersprechstelle der Abgasanlage gemäß der DE 101 15 956 A1 ist entsprechend einer drehmomentoptimalen Abstimmung für einen bestimmten Betriebspunkt im Abgasweg fest von den Zylindern beabstandet angeordnet. Nachteilig ist dabei, dass außerhalb des vorbestimmten Betriebspunktes seitens der Abgasanlage kein optimales Verhalten in Hinblick auf das Drehmoment bzw. den Verbrauch der Brennkraftmaschine gegeben ist. Einen weiteren Nachteil stellt die permanente Durchströmung der von den Abgassträngen stromab der Übersprechstelle umfassten Vorkatalysatoren dar, die Möglichkeit einer Abschaltung ist nicht gegeben.

Als Aufgabe der vorliegenden Erfindung stellt sich die Verbesserung einer eingangs genannte Abgaseinrichtung mit einfachen Mitteln und kostengünstig insbesondere bezüglich ihrer Flexibilität und Wirksamkeit.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei entsprechend der zu Grunde liegenden Idee mehrere parallele jeweils einem motornahen Abgasstrang zugeordnete motorfernen Abgasstränge vorgesehen sind und eine Schalteinrichtung zum schalten des Abgasstromes eines jeden motornahen Abgasstranges zwischen den ihm zugeordneten motorfernen Abgassträngen vorgesehen ist.

Besonders zu bevorzugende Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der Unteransprüche.

Sehr von Vorteil ist es, wenn zum gemeinsamen Schalten der Abgasströme der motornahen Abgasstränge zwischen den parallelen motorfernen Abgassträngen eine einzige Schalteinrichtung vorgesehen, wobei zweckmäßigerweise im Bereich der Schalteinrichtung die abgasführenden Rohre kreissektorförmig ausgebildet sind und gemeinsam einen kreisförmigen Querschnitt überdecken und die Schalteinrichtung eine drehbare Blende mit den abgasführenden Rohren entsprechenden kreissektorförmigen Bereichen zum Abdecken bzw. Freigeben der Rohre aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist die drehbare Blende wechselnd Bereiche zur Abdeckung bzw. zum Freigeben der Rohre auf, so dass in einer ersten Stellung der drehbaren Blende der Abgasstrom eines jeden motornahen Abgasstranges einem diesem zugeordneten ersten motorfernen Abgasstrang zugeleitet und in einer zweiten Stellung der Blende der Abgasstrom eines jeden motornahen Abgasstranges einem diesem zugeordneten zweiten motorfernen Abgasstrang zugeleitet wird.

Bevorzugt wird dabei ein Drehantrieb der Blende mechanisch mittels Zahnstange, Schnecke und/oder Zahnrad; ebenfalls bevorzugt wird ein elektromagnetischer Drehantrieb der Blende.

Einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel zufolge weisen die einem motornahen Abgasstrang zugeordneten motorfernen Abgasstränge jeweils Übersprechstellen mit unterschiedlichem axialen Abstand zur Schalteinrichtung auf, so dass durch ein Umschalten des Abgasstromes zwischen den motorfernen Abgassträngen jeweils Übersprechstellen mit unterschiedlichem Abstand im Abgasströmungsweg von den Zylindern der Brennkraftmaschine wirksam sind und demgemäss eine Optimierung in Hinblick auf unterschiedliche Betriebspunkt der Brennkraftmaschine erfolgt.

Gemäß eines weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsbeispiels umfassen sowohl die ersten als auch die zweiten motorfernen Abgasstränge jeweils einen Katalysator. Durch ein Umschalten des Abgasstromes zwischen den motorfernen Abgassträngen werden die Katalysatoren wechselnd beaufschlagt. Dabei sind die Katalysatoren zweckmäßigerweise in Strömungsrichtung unterschiedlich weit von der Schalteinrichtung beabstandet, so dass durch ein Umschalten ein brennkraftmaschinennaher und/oder ein brennkraftmaschinenferner Katalysator beaufschlagbar ist. Jedoch kann gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels auch eine zumindest annähernd gleicher Abstand der Katalysatoren von den Zylindern der Brennkraftmaschine zweckmäßig sein.

Ein Weiteres ebenfalls bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, dass nur einer der einem motornahem Abgasstrang zugeordneten motorfernen Abgasstränge einen Katalysator umfasst, so dass ein Umschalten des Abgasstromes zwischen den motorfernen Abgassträngen ein Durchströmen bzw. Umgehen des Katalysators ermöglicht.

Zweckmäßigerweise werden die einem motornahen Abgasstrang zugeordneten und/oder die unterschiedlichen motornahen Abgassträngen zugeordneten motorfernen Abgasstränge wieder zusammengeführt, wobei gegebenenfalls die zusammengeführten Abgasstränge einen Katalysator umfassen.

Nachfolgend sind unter Bezugnahme auf Figuren besonders zu bevorzugende Ausführungsbeispiele dargestellt, dabei zeigen schematisch und beispielhaft
1 eine zweiflutige Abgasanlage mit schaltbarer Übersprechstelle,
2 eine zweiflutige Abgasanlage mit schaltbarem Katalysatorbypass und
3 eine konstruktive Ausgestaltung einer zweiflutigen Abgasanlage mit schaltbarer Übersprechstelle.
1 zeigt eine Abgasanlage 100, bei welcher die Abgasströme zweier Zylindergruppen 106, 108 jeweils in einem Abgasstrom zusammengeführt werden; die Abgasströme der Zylindergruppe 106 werden dabei im Abgasstrom 102 und die Abgasströme der Zylindergruppe 108 im Abgasstrom 104 zusammengeführt. Dem Abgasstrom folgend abwärts dieser motornahen Abgasstränge 102, 104 ist eine Schalteinrichtung 110 vorgesehen, mittels der die Abgasströme der motornahen Abgasstränge 102, 104 jeweils einem motorfernen Abgasstrang 112, 114 bzw. 116, 118 zuleitbar sind. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind dem motornahen Abgasstrang 102 zwei motorferne Abgasstränge 112, 116 und dem motornahen Abgasstrang 104 zwei motorferne Abgasstränge 114, 118 zugeordnet. Entsprechend der Stellung der Schalteinrichtung 110 wird dabei entweder der Abgasstrom des motornahen Abgasstranges 102 dem motorfernen Abgasstrang 112 und der Abgasstrom des motornahen Abgasstranges 104 dem motorfernen Abgasstrang 114 oder der Abgasstrom des Abgasstranges 102 dem Abgasstrang 116 und der Abgasstrom des Abgasstranges 104 dem Abgasstrang 118 zugeleitet, wobei die Schalteinrichtung 110 die gleichzeitige Schaltung beider Abgasströme ermöglicht.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nach 1 ist zwischen den motorfernen Abgassträngen 112 und 114 stromab der Schalteinrichtung 110 eine Übersprechstelle 120 vorgesehen, zwischen den Abgassträngen 116 und 118 ist eine Übersprechstelle 122 vorgesehen. Die Übersprechstellen 120, 122 sind im Strömungsweg unterschiedlich weit von der Schalteinrichtung 110 respektive von den Zylindern der Zylindergruppen 106, 108 entfernt, so dass entsprechend der Stellung der Schalteinrichtung 110 jeweils eine der Übersprechstellen 120, 122 wirksam ist und so eine hohe Flexibilität der Abgasanlage 100 bezüglich eines leistungs- bzw. verbrauchsoptimierten Betrieb bei unterschiedlichen Betriebspunkten gewährleistet ist. Mit der vorliegenden Anordnung ist eine schaltbare Übersprechstelle realisiert. Gegebenenfalls sind auch Zwischenstellungen der Schalteinrichtung und somit eine Beaufschlagung beider Übersprechstellen 120, 122 möglich.
Dem Abgasstrom folgend abwärts werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Ströme der Abgasstränge 112, 116 sowie die Ströme der Abgasstränge 114, 118 in Strängen 124 und 126 zusammengeführt, welche wiederum in einem Abgasstrang 128 zusammen- und abgeführt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 2 dargestellt und betrifft die Anordnung von Katalysatoren in den Abgassträngen stromab der Schalteinrichtung 220. Bezüglich der Abgasführung stromauf der Schalteinrichtung 220 sowie der Schalteinrichtung 220 selbst und der Zuführung des Abgasstromes der motornahen Abgasstränge zu den motorfernen Abgassträngen 212, 214 bzw. 216, 218 wird auf die 1 sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst der Abgasstrang 212 einen Katalysator 240, ebenso umfasst der Abgasstrang 214 einen Katalysator 242; die Abgasstränge 216 und 218 umfassen keine Katalysatoren. Durch eine entsprechende Bestätigung der Schalteinrichtung 220 ist der Abgasstrom durch die Katalysatoren 240, 242 oder durch die als Bypass dienenden Stränge 216, 218 leitbar. Insbesondere handelt es sich bei den Katalysatoren 240, 242 um temperaturempfindliche Katalysatoren wie DeNOx-Katalysatoren für Benzin-Direkteinspritzer, welche im Hochtemperaturbereich beispielsweise bei Volllast umgehbar sind. Bei einer kontinuierlichen Betätigung der Schalteinrichtung 220 ist selbstverständlich auch eine Aufteilung der Abgasströme zwischen den Abgassträngen 212 und 214 einerseits und den Abgassträngen 216 und 218 andererseits möglich.
Gemäß einer weiteren hier nicht näher dargestellten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Abgasstränge 212 und 214 jeweils oder gegebenenfalls gemeinsam einen motornahen Katalysator und die Abgasstränge 216 und 218 jeweils oder gegebenenfalls gemeinsam einen motorfernen Katalysator, so dass entsprechend der Stellung der Schalteinrichtung 220 entweder der motornahe oder der motorferne Katalysator durchströmt wird. Auf diese Weise kann ein motornahe angeordneter, besonders schnell anspringender Katalysator, welcher jedoch nicht für Volllastbetrieb geeignet ist, abgeschaltet und einen motorfern angeordneter, für Volllastbetrieb geeigneter Katalysator, welcher jedoch eine längere Anspringzeit benötigt, gegebenenfalls auch sukzessive zugeschaltet werden.
Bei der Ausführungsform nach 2 werden die Abgasstränge 212, 214, 216, 218 stromab der Katalysatoren 240, 242 zu einem gemeinsamen Strom 228 zusammen- und über einen weiteren Katalysator 244 abgeführt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind selbstverständlich die Merkmale der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele in zweckmäßiger Weise miteinander kombinierbar. Insbesondere kann das Ausführungsbeispiel nach 1 durchaus einen oder mehrere Katalysatoren umfassen.
Eine konstruktive Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels nach 1 zeigt 3, gemäß der die von den Zylindergruppen beaufschlagten Abgasrohre 302, 304 jeweils zwei im Abgasstrom nachgeordneten Rohren 312, 316 bzw. 314, 318 zugeordnet sind; der Abgasstrom des Rohres 302 beaufschlagt sowohl das Rohr 312 als auch das Rohr 316, der Abgasstrom des Rohres 304 beaufschlagt die Rohre 314 und 318. Die vier Rohre 312, 314, 316, 318 weisen gemeinsam einen Kreisquerschnitt auf, wobei jedes der Rohre vorliegend einen 90°-Kreissektor einschließt. Im Abgasweg nachfolgend ist die Schalteinrichtung 310 angeordnet, welche im wesentlichen eine drehbare Blende 360 mit den Rohren 312, 314, 316, 318 entsprechenden Bereichen 364 zur Abdeckung des Rohrquerschnitts und Bereichen 366 zur Freigabe des Rohrquerschnitts sowie ein Zahnsegment 362 für den Angriff einer hier nicht näher dargestellten Antriebseinrichtung umfasst.
In einer ersten Stellung der Schalteinrichtung 310 sind die Querschnitte der Rohre 312 und 314 mit den Bereichen 364 der drehbaren Blende 360 abgedeckt, so dass der Abgasstrom der Rohre 302 und 304, freigegeben durch die Bereiche 366 der Blende 360, durch die Rohre 316 und 318 strömt. In einer zweiten Stellung der Schalteinrichtung 310 sind die Querschnitte der Rohre 316 und 318 mit den Bereichen 364 der drehbaren Blende 360 abgedeckt, dass Abgas strömt durch die Rohre 312 und 314. Gegebenenfalls ist es auch zweckmäßig, wenn die Schalteinrichtung 310 Zwischenstellungen entnimmt, so dass sich die Abgasströme der Rohre 302 und 304 entsprechend der Stellung der Blende 360 auf die Rohre 312 und 316 respektive 314 und 318 aufteilen.
Zum hier nicht näher dargestellten Antrieb der drehbaren Blende 360 ist ein mit dem Zahnsegment 362 in Eingriff stehendes Zahnrad oder eine Schnecke vorgesehen, welche mittels eines Elektromotors antreibbar ist; die Ansteuerung des Elektromotors erfolgt zumindest mittelbar mittels der Motorelektronik. Ebenso zweckmäßig ist es, zum Antrieb der drehbaren Blende 360 einen elektromagnetischen Antrieb vorzusehen.
Die Schalteinrichtung 310 ist in einem Schaltgehäuse angeordnet, zwischen drehbarer Blende 360 und den angrenzenden Rohrenden sind jeweils temperaturfeste Dichtungen vorgesehen, alternativ wird eine ausreichende Dichtheit durch ein sehr geringes Spiel, beispielsweise mit einer Ausgestaltung in Keramik, erreicht, wobei selbstverständlich die Rohrdurchführungen am Schaltgehäuse entsprechend zu dichten sind. Sehr zweckmäßig ist es, wenn der Antrieb der drehbaren Blende 360 mit im Gehäuse untergebracht wird, anderenfalls ist bei Durchführung eines Kraftübertragungselementes wie einer Welle durch die Schaltgehäusewand ebenfalls eine entsprechende Dichtung vorzusehen.
Stromab der Schalteinrichtung 310 ist eine erste Übersprechstelle 320 zum Gas- und Druckausgleich zwischen den Rohren 312 und 314 vorgesehen, weiter stromabwärts ist eine zweite Übersprechstelle 322 zum Gas- und Druckausgleich zwischen den Rohren 316 und 318 vorgesehen. Im Folgenden werden die Abgasströme der Rohre 314 und 318 im Rohr 326 sowie die Abgasströme der Rohre 312 und 316 im Rohr 324 zusammengeführt.

Claims

Abgaseinrichtung für eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine mit wenigstens zwei Zylindergruppen sowie diesen zugeordneten motornahen Abgassträngen, gekennzeichnet durch – mehrere parallele jeweils einem motornahen Abgasstrang (102, 104) zugeordnete motorferne Abgasstränge (112, 114, 116, 118) und – eine Schalteinrichtung (110) zum schalten des Abgasstromes eines jeden motornahen Abgasstranges (102, 104) zwischen den ihm zugeordneten motorfernen Abgassträngen (112, 114, 116, 118).
Abgaseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung (110) zum gemeinsamen Schalten der Abgasströme der motornahen Abgasstränge (102, 104) zwischen den parallelen motorfernen Abgassträngen (112, 114, 116, 118).
Abgaseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Schalteinrichtung (310) die abgasführenden Rohre (312, 314, 316, 318) kreissektorförmig ausgebildet sind und gemeinsam einen kreisförmigen Querschnitt überdecken.
Abgaseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (310) eine drehbare Blende (360) mit den abgasführenden Rohren (312, 314, 316, 318) entsprechenden kreissektorförmigen Bereichen (364, 366) zum Abdecken bzw. Freigeben der Rohre (312, 314, 316, 318) aufweist.
Abgaseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Stellung der drehbaren Blende (360) der Abgasstrom eines jeden motornahen Abgasstranges (302, 304) einem diesem zugeordneten ersten motorfernen Abgasstrang (312, 314) zugeleitet und in einer zweiten Stellung der Blende (360) der Abgasstrom eines jeden motornahen Abgasstranges (302, 304) einem diesem zugeordneten zweiten motorfernen Abgasstrang (316, 318) zugeleitet wird.
Abgaseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehantrieb der Blende (360) mechanisch mittels Zahnstang, Schnecke und/oder Zahnrad erfolgt.
Abgaseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehantrieb der Blende (360) elektromagnetisch erfolgt.
Abgaseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einem motornahen Abgasstrang (102, 104) zugeordneten motorfernen Abgasstränge (112, 114, 116, 118) jeweils Übersprechstellen (120, 122) mit unterschiedlichem Abstand in Strömungsrichtung zur Schalteinrichtung (110) aufweisen.
Abgaseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die ersten als auch die zweiten motorfernen Abgasstränge jeweils einen Katalysator umfasst.
Abgaseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Katalysator in Strömungsrichtung unterschiedlich weit von der Schalteinrichtung beabstandet sind.
Abgaseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils nur einer der einem motornahem Abgasstrang (202, 204) zugeordneten motorfernen Abgasstränge (212, 214) einen Katalysator (240, 242) umfasst.
Abgaseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einem motornahen Abgasstrang zugeordneten und/oder die unterschiedlichen motornahen Abgassträngen zugeordneten motorfernen Abgasstränge (212, 214, 216, 218) wieder zusammengeführt werden, wobei gegebenenfalls die zusammengeführten Abgasstränge einen Katalysator (244) umfassen.