DE10322522A1

DE10322522A1 - Schalldämpfer für Motoren

Info

Publication number: DE10322522A1
Application number: DE10322522A
Authority: DE
Inventors: Masanori Toyota Takahashi; Kouji Toyota Toyoshima; Takeshi Toyota Inoguchi; Shinya Toyota Hirota; Takamitsu Toyota Asanuma
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2023-05-20
Also published as: US20040026165A1; US6918463B2; FR2845419B1; DE10322522B4; JP3738752B2; FR2845419A1; JP2003343259A

Abstract

Ein Schalldämpfer umfaßt ein Gehäuse und ein Auspuffrohr, das durch das Gehäuse hindurch führt. Eine Abgaskammer 4 ist von der Außenwandfläche des Auspuffrohrs und der Innenwandfläche des Gehäuses definiert. Innerhalb des Gehäuses ist im Auspuffrohr eine Expansionskammer ausgebildet, welche einen Partikelfilter enthält. Der stromabwärtsseitige Abschnitt des Auspuffrohrs und die Abgaskammer sind über ein Zweigrohr miteinander verbunden. Innerhalb der Abgaskammer ist in der Wand des stromaufwärtsseitigen Abschnitts des Auspuffrohrs ein Durchlaß ausgebildet. Bis der Druckunterschied zwischen den stromaufwärts und stromabwärts vom Durchlaßventil liegenden Bereichen einen Schwellenwert erreicht, bleibt das Durchlaß-Steuerventil geschlossen, wodurch auch der Durchlaß geschlossen ist und das Gas somit durch den Partikelfilter strömt. Wenn der Druckunterschied den Schwellenwert erreicht hat, wird das Durchlaß-Steuerventil durch den Druck im stromaufwärtsseitigen Abschnitt geöffnet, wodurch auch der Durchlaß geöffnet wird und somit ein Teil des Abgases den Partikelfilter umgeht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schalldämpfer für Motoren

2. Verwandte Technik

Bekannt ist ein Schalldämpfer für Motoren, der folgendes aufweist: ein Gehäuse; ein Auspuffrohr, das durch das Gehäuse hindurch und darüber hinaus führt; eine Expansionskammer mit einem Volumen, die im Auspuffrohr innerhalb des Gehäuses ausgebildet ist, wobei sich in der Expansionskammer ein Katalysator befindet; einen stromaufwärtsseitigen Verbindungskanal, der eine Abgaskammer, welche von der Außenwandfläche des Auspuffrohrs und der Innenwandfläche des Gehäuses definiert ist, und das Auspuffrohr stromaufwärts von der Expansionskammer miteinander verbindet; einen stromabwärtsseitigen Verbindungskanal, der die Abgaskammer und das Auspuffrohr stromabwärts von der Expansionskammer miteinander verbindet, wobei der stromaufwärtsseitige Verbindungskanal verschlossen ist, wenn die Temperatur des Abgases niedrig ist, und geöffnet wird, wenn die Temperatur des Abgases hoch wird, weswegen bei niedriger Abgastemperatur das Abgas durch den Katalysator strömt und dann, wenn die Abgastemperatur hoch wird, ein Teil des Abgases durch den stromaufwärtsseitigen Verbindungskanal aus dem Auspuffrohr in die Abgaskammer strömt, dann die Expansionskammer umgeht und durch den stromabwärtsseitigen Verbindungskanal in das Auspuffrohr zurückkehrt (siehe die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 9-88568 ). Mit anderen Worten, in dem Schalldämpfer wird ein Teil des Abgases gezwungen, den Katalysator zu umgehen, wenn die Temperatur des Abgases hoch ist, um zu verhindern, daß der Katalysator zu heiß wird.

In dem oben beschriebenen Schalldämpfer wird der Druckverlust im Schalldämpfer vermindert, wenn der stromaufwärtsseitige Verbindungskanal geöffnet wird. Daher kann der Gegendruck des Motors zu diesem Zeitpunkt gesenkt werden.

Jedoch wird in dem Schalldämpfer der stromaufwärtsseitige Verbindungskanal so lange geschlossen gehalten, wie die Abgastemperatur niedrig ist. Infolgedessen kann das Problem auftreten, daß der Gegendruck des Motors steigt, wenn beispielsweise die Motortemperatur niedrig ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schalldämpfer für Motoren bereitzustellen, der in der Lage ist, den Gegendruck des Motors niedrig zu halten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Schalldämpfer für Motoren mit einem Abgaskanal bereitgestellt, wobei der Schalldämpfer folgendes umfaßt: ein Gehäuse; ein Auspuffrohr, das durch das Gehäuse hindurch und darüber hinaus führt, wobei das Auspuffrohr mit dem Abgaskanal des Motors verbunden ist; eine Expansionskammer mit einem Volumen, die innerhalb des Gehäuses im Auspuffrohr ausgebildet ist, wobei sich in der Expansionskammer ein Partikelfilter befindet, um Partikel im Abgas, das in die Expansionskammer oder einen Katalysator strömt, aufzunehmen; einen stromaufwärtsseitigen Verbindungskanal, der die Abgaskammer, die von der Außenwandfläche des Auspuffrohrs und der Innenwandfläche des Gehäuses begrenzt wird, und das Auspuffrohr stromaufwärts von der Expansionskammer miteinander verbindet; einen stromabwärtsseitigen Verbindungskanal, der die Abgaskammer und das Auspuffrohr stromabwärts von der Expansionskammer miteinander verbindet; und ein Mittel zur Durchlaßsteuerung, um den stromaufwärtsseitigen Verbindungskanal zu verschließen, bis der Druck im Auspuffrohr stromaufwärts von der Expansionskammer einen vorbestimmten Wert erreicht, und um den stromaufwärtsseitigen Verbindungskanal zu öffnen, wenn der genannte Druck den Schwellenwert erreicht hat, wobei bei geschlossenem stromaufwärtsseitigem Verbindungskanal das Abgas durch die Expansionskammer strömt, und wobei bei geöffnetem stromaufwärtsseitigem Verbindungskanal ein Teil des Abgases durch den stromaufwärtsseitigen Verbindungskanal aus dem Auspuffrohr in die Abgaskammer strömt und dann die Expansionskammer umgeht und durch den stromabwärtsseitigen Verbindungskanal wieder in das Auspuffrohr zurückkehrt.

Man beachte, daß in dieser Beschreibung das Verhältnis der Luftmenge zu den Mengen an Kohlenwasserstoff HC und Kohlenmonoxid CO, die stromaufwärts von einer bestimmten Position im Abgaskanal in den Abgaskanal, die Brennkammer und den Ansaugkanal des Motors gelangen, als Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases an der genannten Position bezeichnet wird.

Die vorliegende Erfindung kann anhand der nachfolgenden Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit den begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1A ist eine seitliche Querschnittsansicht des Schalldämpfers einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
1B ist ein Längsquerschnitt eines Schalldämpfers entlang der Linie B-B, die in 1A gezeigt ist;
2 ist die Darstellung eines Abgasstroms;
3A und 3B sind Darstellungen eines Abgasstroms;
4 ist die Darstellung des Schalldämpfer-Aufbaus einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform.
5 ist eine Darstellung des Schalldämpfer-Aufbaus einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1A und 1B zeigen den Aufbau eines Schalldämpfers 1 einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. 1A ist eine seitliche Querschnittsansicht des Schalldämpfers 1, und 1B ist ein Längsquerschnitt des Schalldämpfers 1 entlang der Linie B-B, die in 1A gezeigt ist.
1A und 1B zeigen, daß der Schalldämpfer 1 ein Gehäuse 2 umfaßt, das beispielsweise zylindrisch geformt ist, sowie ein Auspuffrohr 3, das mit dem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors verbunden ist. Das Auspuffrohr 3 führt durch das Gehäuse 2 hindurch und darüber hinaus, und somit wird eine ringförmige Abgaskammer 4 mit einem relativ großen Volumen von der Außenwandfläche des Auspuffrohrs 3 und der Innenwandfläche des Gehäuses 2 begrenzt.
Eine Expansionskammer 5 mit relativ großem Volumen wird innerhalb des Gehäuses 2 im Auspuffrohr 3 ausgebildet. In der Expansionskammer 5 befindet sich ein Partikelfilter 6, um Partikel aufzunehmen, die im Abgas enthalten sind, das in die Expansionskammer 5 strömt. Der Partikelfilter 6 trägt einen Katalysator. Der Katalysator auf dem Partikelfilter 6 kann von beliebiger Art sein, beispielsweise kann der Partikelfilter 6 einen Oxidationskatalysator oder einen NOx-Katalysator tragen. Der NOx-Katalysator speichert NOx, welches in dem einströmenden Abgas vorhanden ist, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases mager ist, und reduziert das gespeicherte NOx, wodurch die gespeicherte NOx-Menge sinkt, wenn ein Reduzierungsmittel im einströmenden Abgas enthalten ist, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases gesenkt wird. Hierbei kann sich auch nur der Partikelfilter 6 oder der Katalysator in der Expansionskammer 5 befinden.
Falls die Expansionskammer 5 so im Gehäuse 2 angeordnet ist wie oben beschrieben, ist der Partikelfilter 6 von einer Gasschicht in der Abgaskammer 4 umgeben. Demgemäß kann verhindert werden, daß die Temperatur des Partikelfilters 6 sinkt.
Hierin wird der Abschnitt des Auspuffrohrs 3 stromaufwärts von der Expansionskammer 5 als stromaufwärtsseitiger Abschnitt 3u bezeichnet, und der Abschnitt des Auspuffrohrs 3 stromabwärts von der Expansionskammer 5 wird als stromabwärtsseitiger Abschnitt 3d bezeichnet. Ein Zweigrohr 7 zweigt außerhalb des Gehäuses 2 vom stromabwärtsseitigen Abschnitt 3d ab. Das Zweigrohr 7 verläuft außerhalb des Gehäuses 2 und bildet eine Öffnung an der umlaufenden Wand des Gehäuses 2 und verbindet den stromabwärtsseitigen Abschnitt 3e und die Abgaskammer 4 miteinander. Somit befindet sich in der in den 1A und 1B gezeigten Ausführungsform das gesamte Zweigrohr 7 außerhalb des Gehäuses 2.
Weiter ist ein Durchlaß 8 in der Wand des stromaufwärtsseitigen Abschnitts 3u ausgebildet, und der stromaufwärtsseitige Abschnitt 3u ist mit einem Durchlaß-Steuerventil 9 zum Öffnen oder Schließen des Durchlasses 8 ausgestattet. Der Ventilkörper des Durchlaß-Steuerventils 9 liegt an der äußeren Umfangsfläche des stromaufwärtsseitigen Abschnitts 3u, während er den Durchlaß 8 verschließt, und ist einer Seite schwenkbar gelagert.
In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Durchlaß-Steuerventil 9 um ein druckbetriebenes Ventil, welches durch den Druck, insbesondere den statischen Druck, im stromaufwärtsseitigen Abschnitt 3u geöffnet wird. Mit anderen Worten ist das Durchlaß-Steuerventil 9 mittels einer Feder oder dergleichen in die Schließrichtung vorgespannt, in der es den Durchlaß 8 verschließt. Bis der Druck im stromaufwärtsseitigen Abschnitt 3u oder genauer der Druckunterschied zwischen dem stromaufwärtsseitigen Abschnitt 3u und der Abgaskammer 4 oder zwischen den stromaufwärts und stromabwärts vom Durchlaß-Steuerventil 9 liegenden Bereichen einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht, bleibt das Durchlaß-Steuerventil 9 geschlossen und verschließt so den Durchlaß 8. Wenn der genannte Druckunterschied den Schwellenwert erreicht hat, wird das Durchlaß-Steuerventil 9 und damit auch der Durchlaß 8 geöffnet.
Wenn der Druck im stromaufwärtsseitigen Abschnitt 3u niedrig ist und der Druckunterschied zwischen den stromaufwärts und stromabwärts vom Durchlaß-Steuerventil 9 liegenden Bereichen relativ gering ist, wie beim langsamen Motorlauf, bleibt das Durchlaß-Steuerventil 9 geschlossen. Wie in 2 gezeigt, passiert infolgedessen sämtliches Abgas, das in den stromaufwärtsseitigen Abschnitt 3u strömt, den Partikelfilter 6, und strömt dann durch den stromabwärtsseitigen Abschnitt 3d. In diesem Fall ist die Abgaskammer 4 vom stromaufwärtsseitigen Abschnitt 3u abgetrennt und dient als Resonanzkammer. Infolgedessen wird der Geräuschpegel durch den Resonanzeffekt der Abgaskammer 4 herabgesetzt.
Generell wird die Frequenz des Geräuschs, das durch den Resonanzeffekt der Abgaskammer 4 gedämpft wird, von den Abmessungen des Zweigrohrs 7 bestimmt, das als Resonanzrohr dient, das heißt, von der Länge entlang der Mittelachse und dem Durchmesser des Zweigrohrs 7. Daher werden in der erfindungsgemäßen Ausführungsform die Abmessungen des Zweigrohrs 7 so festgelegt, daß die Frequenz des Geräuschs, das durch den Resonanzeffekt des Abgaskammer 4 gedämpft wird, mit einer vorbestimmten Zielfrequenz übereinstimmt.
Wenn andererseits der Druck im stromaufwärtsseitigen Abschnitt 3u hoch wird, beispielsweise beim schnellen Motorlauf, und damit der Druckunterschied zwischen den stromaufwärts und stromabwärts vom Durchlaß-Steuerventil liegenden Bereichen den Schwellenwert erreicht, wird das Durchlaß-Steuerventil 9 und damit der Durchlaß 8 geöffnet, und somit werden der stromaufwärtsseitige Abschnitt 3u und die Abgaskammer 4 über den Durchlaß 8 miteinander verbunden. Infolgedessen strömt, wie in den 3A und 3B gezeigt, ein Teil des Abgases, das in den stromaufwärtsseitigen Abschnitt 3u geströmt ist, über den Durchlaß 8 hinaus in die Abgaskammer 4, und kehrt dann über das Zweigrohr 7 in den stromabwärtsseitigen Abschnitt 3d zurück. Dies führt dazu, daß ein Teil des Abgases den Partikelfilter 6 umgeht und daß der Gegendruck des Motors sinkt.
Wie in 3B gezeigt, wird zu diesem Zeitpunkt das Abgas durch den Ventilkörper des Durchlaß-Steuerventils 9 zur Öffnung des Zweigrohrs 7 in der Seite der Ab gaskammer 4 geleitet. Infolgedessen wird der Gegendruck des Motors noch weiter gesenkt.
Wie oben beschrieben, ist das Volumen der Abgaskammer 4 relativ groß, und somit dient die Abgaskammer 4 als Expansionskammer, wenn das Durchlaß-Steuerventil 9 geöffnet ist. Infolgedessen wird der Geräuschpegel durch den Expansionseffekt der Abgaskammer 4 gesenkt.
In der in den 1A und 1B gezeigten Ausführungsform befindet sich das gesamte Zweigrohr 7 außerhalb des Gehäuses 2. Das heißt, daß das Volumen der Abgaskammer 4 vergrößert werden kann, während das Volumen des Gehäuses 2 klein gehalten wird. Weiter wird der Resonanzeffekt generell größer, wenn das Volumen der Resonanzkammer größer wird, und der Expansionseffekt wird größer, wenn das Volumen der Expansionskammer größer wird. Somit ist es in jedem Fall möglich, den Geräuschpegel stark zu senken. Demgemäß ist es in der in den 1A und 1B gezeigten Ausführungsform möglich, den Geräuschpegel zu senken, und zwar sowohl dann, wenn die Abgaskammer 4 als Resonanzkammer dient als auch dann, wenn die Abgaskammer 4 als Expansionskammer dient.
Die Abgaskammer 4 dient in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Resonanzkammer, wenn das Durchlaß-Steuerventil 9 geschlossen ist, und dient als Expansionskammer, wenn das Durchlaß-Steuerventil 9 geöffnet ist. Demgemäß kann das Durchlaß-Steuerventil 9 als Schaltventil betrachtet werden, mit dem die Wirkungsweise der Abgaskammer 4 zwischen der einer Resonanzkammer und der einer Expansionskammer umgeschaltet wird.
In der in den 1A und 1B gezeigten Ausführungsform ist die Expansionskammer 5 im Gehäuse 2 angeordnet. Wie in 4 gezeigt, kann die Expansionskammer 5 alternativ stromabwärts vom Gehäuse 2, d. h. außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sein.
In der in den 1A und 1B gezeigten Ausführungsform ist das gesamte Zweigrohr 7 außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet. Wie in 5 gezeigt, kann das gesamte Zweigrohr 7 alternativ im Gehäuse 2 angeordnet sein. In diesem Fall zweigt das Zweigrohr 7 innerhalb des Gehäuses vom stromabwärtsseitigen Abschnitt 3d ab. Als weitere Alternative kann auch nur ein Teil des Zweigrohrs 7 im Gehäuse 2 angeordnet sein. Welche der in den 1A und 1B, 4 und 5 gezeigten Konstruktionen gewählt wird, hängt beispielsweise von der Frequenz des Geräuschs, dessen Lautstärke gesenkt werden soll, ab.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Schalldämpfer für Motoren bereitgestellt werden, welcher in der Lage ist, den Gegendruck des Motors niedrig zu halten.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, um sie anschaulicher zu machen, können durch einen Fachmann selbstverständlich zahlreiche Modifizierungen durchgeführt werden, ohne den Grundgedanken und den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Schalldämpfer für Motoren mit einem Abgaskanal, wobei der Schalldämpfer folgendes umfaßt: ein Gehäuse; ein Auspuffrohr, das durch das Gehäuse hindurch und darüber hinaus verläuft, wobei das Auspuffrohr mit dem Abgaskanal des Motors verbunden ist; eine Expansionskammer mit einem Volumen, welche innerhalb des Gehäuses im Auspuffrohr ausgebildet ist, wobei sich in der Expansionskammer ein Partikelfilter befindet, der Partikel aufnimmt, die im Abgas enthalten sind, welches in die Expansionskammer oder einen Katalysator strömt; einen stromaufwärtsseitigen Verbindungskanal, der eine Abgaskammer, die von der Außenwandfläche des Auspuffrohrs und der Innenwandfläche des Gehäuses begrenzt wird, und das Auspuffrohr stromaufwärts von der Expansionskammer miteinander verbindet; einen stromabwärtsseitigen Verbindungskanal, der die Expansionskammer und das Auspuffrohr stromabwärts von der Expansionskammer miteinander verbindet; sowie ein Durchlaß-Steuerungsmittel, um den stromaufwärtsseitigen Verbindungskanal zu verschließen, bis der Druck im Auspuffrohr stromaufwärts von der Expansionskammer einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht hat, und um den stromaufwärtsseitigen Verbindungskanal zu öffnen, wenn der genannte Druck den Schwellenwert erreicht, wobei dann, wenn der stromaufwärtsseitige Verbindungskanal verschlossen ist, das Abgas durch die Expansionskammer strömt, und dann, wenn der stromaufwärtsseitige Verbindungskanal offen ist, ein Teil des Abgases über den stromaufwärtsseitigen Verbindungskanal aus dem Auspuffrohr hinaus in die Abgaskammer strömt und dann die Expansionskammer umgeht und über den stromabwärtsseitigen Verbindungskanal in das Auspuffrohr zurückkehrt.
Schalldämpfer für Motoren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Durchlaß-Steuerungsmittel um ein Durchlaß-Steuerventil handelt, das geschlossen bleibt, bis der Druck im Auspuffrohr stromaufwärts von der Expansionskammer den Schwellenwert erreicht, wodurch der stromaufwärtsseitige Verbindungskanal geschlossen ist, und das geöffnet wird, wenn der Druck im Auspuffrohr stromaufwärts von der Expansionskammer den Schwellenwert erreicht hat, wodurch der stromaufwärtsseitige Verbindungskanal geöffnet wird.
Schalldämpfer für Motoren nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem Durchlaß-Steuerventil um ein druckbetriebenes Ventil handelt, das durch den Druck im Auspuffrohr stromaufwärts von der Expansionskammer geöffnet wird.
Schalldämpfer für Motoren nach Anspruch 1, wobei der stromaufwärtsseitige Verbindungskanal von einem Durchlaß, welcher in der Wand des Auspuffrohrs innerhalb der Abgaskammer ausgebildet ist, und dem Bereich stromaufwärts von der Expansionskammer definiert ist.
Schalldämpfer für Motoren nach Anspruch 1, wobei der stromabwärtsseitige Verbindungskanal von einem Zweigrohr, das stromabwärts von der Expansionskammer von dem Auspuffrohr abzweigt und erstreckt und sich in die Abgaskammer öffnet, definiert ist.
Schalldämpfer für Motoren nach Anspruch 5, wobei das Zweigrohr außerhalb der Abgaskammer und stromabwärts von der Expansionskammer vom Auspuffrohr abzweigt und verläuft und sich in die Außenwandfläche des Gehäuses öffnet.
Schalldämpfer für Motoren nach Anspruch 5, wobei die Abgaskammer als Resonanzkammer wirkt, wenn der stromaufwärtsseitige Verbindungskanal geschlossen ist, und wobei die Abmessungen des Zweigrohrs so festgelegt werden, daß die Frequenz des Geräuschs, das durch den Resonanzeffekt der Abgaskammer gesenkt wird, einer vorbestimmten Zielfrequenz entspricht.
Schalldämpfer für Motoren nach Anspruch 5, wobei der stromaufwärtsseitige Verbindungskanal von einem Durchlaß, welcher innerhalb der Abgaskammer im Auspuffrohr ausgebildet ist, und dem Bereich stromaufwärts von der Expansionskammer definiert ist, wobei es sich bei dem Durchlaß-Steuerungsmittel um ein Durchlaß-Steuerventil handelt, das geschlossen bleibt, bis der Druck im Auspuffrohr stromaufwärts von der Expansionskammer den Schwellenwert erreicht hat, wodurch der Durchlaß verschlossen ist, und das geöffnet wird, wenn der Druck im Auspuffrohr stromaufwärts von der Expansionskammer den Schwellenwert erreicht, wodurch der Durchlaß geöffnet wird, und wobei, wenn das Durchlaß-Steuerventil geöffnet wird, der Abgasstrom vom Ventilkörper des Durchlaß-Steuerventils zur Öffnung des Zweigrohrs geleitet wird, das sich in der Seite der Abgaskammer befindet.
Schalldämpfer für Motoren nach Anspruch 1, worin sich der Partikelfilter in der Expansionskammer befindet, der Partikelfilter einen NOx-Katalysator trägt, der NOx-Katalysator NOx aufnimmt, das im einströmenden Abgas enthalten ist, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases mager ist, und der NOx-Katalysator das aufgenommene NOx reduziert, wodurch die Menge des aufgenommenen NOx gesenkt wird, wenn ein Reduzierungsmittel im einströmenden Abgas enthalten ist und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases gesenkt wird.