DE1299649B

DE1299649B - Auspuffanlage fuer mehrzylindrige Brennkraftmaschinen, insbesondere fuer Boxermotoren

Info

Publication number: DE1299649B
Application number: DEA57834A
Authority: DE
Inventors: Lang; Dipl-Ing Ludwig
Original assignee: AEROLYT VERTRIEBSGESELLSCHAFT
Current assignee: AEROLYT VERTRIEBSGESELLSCHAFT
Priority date: 1967-12-29
Filing date: 1967-12-29
Publication date: 1969-07-24

Description

Die Erfindung betrifft eine Auspuffanlage für mehrzylindrige Brennkraftmaschinen, insbesondere für vier- oder mehrzylindrige Boxermotoren mit für jeden Zylinder zum Auspuffschalldämpfer geführten Abgasrohren, deren Längen zwischen Motor und Schalldämpfer verschieden groß sind. Die ungleichen Längen der Abgasrohre haben zur Folge, daß die Abgasmengen aus den Zylindern in den Schalldämpfer nicht mehr in gleichmäßigen Zeitabständen, sondern mit einer Verschiebung, die der unterschiedlichen Länge der Abgasrohre entspricht, eintreten. Unregelmäßig aufeinanderfolgende Tonstöße werden vom menschlichen Ohr weit störender empfunden als in gleichen Zeitabständen eintreffende. Vor allem aber kann bei gleichzeitigem Anfall der Gase zweier oder mehrerer Zylinder eine Vergrößerung der Druckamplituden auftreten, wodurch einmal die Geräusche verstärkt werden und zum anderen der Schalldämpfer unzulässig hohe mechanische Beanspruchungen erfährt.
Es wurde daher bereits versucht, die unterschiedlichen Längen der Auspuffrohre durch die Längenunterschiede im Schalldämpferinnern ausgleichende rohrförmige Verlängerungen zu kompensieren. Dadurch wurde zwar eine einheitliche Stauwirkung in den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine hergestellt; nachteilig war aber hierbei, daß die im Schalldämpfer fortgesetzten Rohre ein beträchtliches Volumen einnahmen, wodurch man die Schalldämpferbehälter zwecks Erzielung einer bestimmten Dämpfungsleistung verhältnismäßig groß dimensionieren mußte. Außerdem traten Resonanzen dieser Rohre auf, die zusätzlich gedämpft werden mußten. Auch stellten sich hierbei einheitliche Schwingungszustände ein, wodurch die Schallabstrahlung noch verstärkt wurde.
Man ist ferner bestrebt, an Brennkraftmaschinen die Schalldämpfervorrichtung gleichzeitig als eine durch katalytische Oxydation wirkende Entgiftungsvorrichtung auszubilden. Es ist bekannt, bei einer derartigen katalytisch wirkenden Abgasentgiftungsvorrichtung die Aufteilung des zufließenden und zu entgiftenden Abgasstroms in eine Umlaufströmung um die Entgiftungsvorrichtung und einen Hauptstromanteil, der als Durchlaufstrom die Entgiftungsvorrichtung durchfließt, aufzuteilen. Die Entgiftungsvorrichtung weist dabei Behälter auf, die mit Katalysatorieilchen ausgefüllt und so gestaltet sind, daß ein Durchlaufstrom einen vorzugsweise konischen Innenkanal durchfließt, der am Ende durch eine Blende teilweise abgeschlossen ist. Durch die wählbare Freifläche in der Mantelfläche des Innenkanals sowie durch das wählbare Freivolumen aus der stereometrischen Form der Katalysatormasseteilchen im Inneren der Katalysatorbehälter in Verbindung mit der ebenfalls wählbaren Freifläche im äußeren Mantel der Katalysatorbehälter ist die Möglichkeit gegeben, die Verweilzeiten des Durchlaufstroms des Abgases in einem wählbaren Drehzahlbereich des Motors den für die Katalyse erforderlichen Kontaktzeiten von etwa 1h5 bis 1159 Sekunde anzupassen. Beim überschreiten dieser für die Katalyse erforderlichen Verweilzeiten bzw. Geschwindigkeiten des Durchlaufstroms trifft ohne besondere, z. B. mechanische Steuermittel eine Bypass-Wirkung ein, d. h., das Abgas strömt ohne große Entgiftung ab und schont somit die Katalysatormasse.
Die Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, eine Auspuffanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, welche gleichzeitig die Funktion des Abgassammlers, des Schalldämpfers und des Abgasentgifters in einer Baueinheit übernimmt. Zur Lösung der erfindungsgemäß gestellten Aufgabe wird daher bei einer Auspuffanlage für mehrzylindrige Brennkraftmaschinen, insbesondere für Boxermotoren, bestehend aus einem länglichen Gehäuse mit je einer durch eine mittig gelochte Querwand von der Hauptkammer getrennten Vorkammer an jeder Stirnseite mit in die Vorkammern mündenden verschieden langen Auspuffleitungen der einzelnen Zylinder und nahe den Querwänden an die Hauptkammer angeschlossenen Austrittsstutzen vorgeschlagen, daß in der Hauptkammer mit allseitigem Abstand ein mit sowohl zur Abgasentgiftung als auch zur Schalldämpfung dienenden Katalysatorenteilchen gefüllter Behälter angeordnet ist, der einen gasdurchlässigen, z. B. gelochten Außenmantel und einen ebensolchen, vorzugsweise in Stromrichtung konisch verengten Innenmantel aufweist, daß der Behälter durch eine akustisch-steife Querwand unterteilt und daß dieser je eine mit der Hauptkammer in Verbindung stehende Prallkammer vorgelagert ist.
Die von den einzelnen Zylindern ankommenden Auspuffrohre verschiedener Länge und auch gegebenenfalls verschiedenen Durchmessers münden beispielsweise paarweise in die Kopfenden des als Sammelgehäuse ausgebildeten Schalldämpfers ein. Es ist zweckmäßig, die ankommenden Abgasrohre bereits in den Außenlängen mit einer Krümmung zu versehen, so daß eine widerstandsarme Umlenkung der Abgasteilströme um etwa 90° erfolgt.
Die Vorkammern an den beiden Kopfenden des länglichen Sammelgehäuses stellen jeweils Abgassammler dar.
Die Zusammenführung der Abgasteilströme und Abströmung durch eine Bohrung in der Querwand ergibt eine Düsenwirkung mit je nach dem Bohrungsdurchmesser wählbarer Steigerung der Durchströmgeschwindigkeit und der Erzeugung einer Unterdruckzone. Durch die Wirkung des Trichters wird die Strömung z. B. auf das Vier- bzw. Fünffache der Strömung in den Ausströmöffnungen der Abgasrohre gesteigert. Bei Vollgaseinstellung des Motors soll jedoch diese gesteigerte Durchströmgeschwindigkeit im engsten Trichterquerschnitt unter Wertung der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit die Mach-Zahl 0,3 nicht überschreiten.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorkammern mit einem wählbaren Unterdruckpunkt ist ein Vorstau in den Abgasrohren selbst bei verschiedenen Längen nicht möglich. Die zeitliche Verschiebung aus der unterschiedlichen Länge der Abgasrohre von den einzelnen Zylindern wirkt sich bei der erheblichen Steigerung der Durchströmgeschwindigkeit in der Trichtermündung nicht fühlbar aus.
Der Gehäuseinnenraum zwischen den Querwänden der Vorkammern ist unter Wahrung eines Abstands von der Gehäusewandung mit zwei Katalysatorbehältern, die als Entgiftungsvorrichtung und gleichzeitig als Schalldämpfer wirken, ausgefüllt. Diese Vorrichtungen wirken sich sowohl auf die tiefen wie auf die hohen Frequenzen aus, so daß eine Kombination von Hoch- und Tiefpaßfiltern entsteht.
An Hand der Zeichnungen soll am Beispiel von bevorzugten Ausführungsformen die Auspuffanlage gemäß der Erfindung und ihre Funktion näher erläutert werden.
F i g. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Auspuffanlage gemäß der Erfindung für einen Boxer-Motor; F i g. 2 zeigt eine Draufsicht des etwa in seiner waagerechten Längsmittelebene teilweise geschnittenen Schalldämpfers; F i g. 3 zeigt im Längsschnitt ein Teilstück im Bereich der mittig angeordneten Querwand im Inneren des Schalldämpfers.
Gemäß den F i g. 1 und 2 münden vier Auspuffrohre 1, 2, 3 und 4, die mit Flanschen 5, 6, 7 und 8 zum Anschluß an die vier Zylinder eines Boxermotors versehen sind, in die beiden Enden eines länglichen, den Schalldämpfer aufnehmenden Gehäuses 11. Vom äußeren Rohr 2 (F i g. 1) zweigt ein Rohr 9 ab, das zu einer Vorwärmeinrichtung 10 für die Gemischansaugleitung führt. Der Innenraum des Gehäuses 11 ist über zwei symmetrisch angeordnete Rohrstutzen 12 mit der Atmosphäre verbunden.
Wie sich aus F i g. 2 ergibt, münden die Auspuffrohre paarweise 1, 2 und 3, 4 in die beiden Kopfenden des Sammelgehäuses 11. Die Auspuffrohre sind außerhalb des Gehäuses 11 bereits so vorgekrümmt, daß ein widerstandsarmes Einströmen der Abgasteilströme aus den Zylindern gewährleistet ist. An beiden Enden innerhalb des Gehäuses 11 werden durch die Querwände 13 die Vorkammern 14 gebildet. An den Querwänden sind in Stromrichtung verengte Trichter 15 vorgesehen, die als Düsen wirken und die zur Zusammenfassung der Abgasteilströme aus den Auspuffrohren 1, 2 und 3, 4 dienen. Die Mündung der Auspuffrohre 1, 2 und 3, 4 im Innern der Vorkammern 14 ist so ausgerichtet, daß sich die Abgasteilströme in einem Schnittpunkt auf der Gehäuselängsachse im Bereich jedes Trichters treffen. Auf der einen Seite tritt noch das aus dem Auspuffrohr 2 kommende Rohr 9 ein und trifft vorzugsweise die engste Stelle des Trichters 15.
Die Querwände 13 weisen mittige Bohrungen auf, an welchen die Katalysatorbehälter befestigt sind. Mit der Größe dieser Bohrung wird das Unterdruckfeld beeinflußt, so daß ein rückstaufreier Zufluß für Abgasteilmengen aus den Auspuffrohren 1, 2 und 3, 4 gegeben ist.
Die Katalysatorbehälter weisen einen durchlässigen, vorzugsweise konisch ausgebildeten Innenmantel 17 und einen ebenfalls durchlässigen Außenmantel 18 auf. Zwischen den beiden Mänteln befindet sich die Katalysatormasse in Form von Teilchen 16 bestimmter Größe und Form. Ein Teil des Außenmantels wird durch ein Abdeckblech 19 abgedeckt, um die Durchlaufstrecke des Durchlaufstromteils im Innern der Katalysatorteilchen 16 möglichst groß zu halten. Der konische Innenmantel weist am Ende einen wählbar kleinen Durchmesser, gegebenenfalls eine Blende, auf und mündet je in eine Prallkammer 20, die durch eine in der Mitte des Gehäuses angeordnete Querwand 21 gebildet werden. Diese ist z. B. durch Sickungen schwingungssteif ausgebildet. Der Außenmantel der Prallkammern 20 weist Löcher 22 auf, welche in den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 11 und dem Außenmantel 18 des Katalysatorbehälters führen. Dieser Zwischenraum ist über die beiden Rohrstutzen 12 mit der Atmosphäre verbunden.
Das Gehäuse 11 wird in an sich bekannter Weise zweckmäßig durch eine Isolationsschicht 23 zwecks Wärme- und Schalldämmung ausgekleidet. Diese Isolationsschicht, die vorzugsweise aus anorganischen Schallschluckstoffen besteht, wird durch einen Schutzmantel 24 nach dem Innern zu abgedeckt.
F i g. 3 ist ein Teilstück im Bereich der in der Gehäusemitte angeordneten Querwand im Detail und anderer Anordnung gezeigt. Diese Querwand 25 trennt das Innere des Gehäuses 11 in zwei Räume auf. An Stelle des Außenmantels der Prallkammern 20 in F i g. 2 treten zwei kegelstumpfförmige gelochte Mantelflächen 26.
Die Wirkungsweise der Auspuffanlage gemäß der Erfindung ist dabei die folgende: Zunächst läuft der aus den Teilströmen zusammengesetzte Abgasstrom von beiden Seiten her gegeneinander durch die Innenkanäle 17 der Katalysatorbehälter. Durch die wählbare Freifläche des Innenmantels 17 fließt ein Teil des Abgasstroms als Durchlaufstrom ab. Durch die am Ende des Innenkanals vorgesehene Bohrung oder Blende strömt ein unentgifteter Abgasstromanteil ab und prallt auf die in der Gehäusemitte angeordnete Querwand 21 bzw. 25. Mit dem Durchmesser des Austritts am Innenmantel 17 wird die Menge des Umlaufstroms festgelegt, der nun in umgekehrter Strömungsrichtung die Katalysatorbehälter umströmt. Die Größe der Freifläche in den gelochten Wänden der Kammern 20 bestimmt die Druckhöhe in der Zone der Querwand 21. Dieser Druck wird zweckmäßigerweise so gehalten, daß sich der Druck noch im Innenmantel 17 des Katalysatorbehälters auswirkt und so die Durchlaufstrommenge, die die Katalysatorteilchen 16 berührt, erhöht. Es wird dadurch auch die Möglichkeit geschaffen, den Wirkungsgrad der Entgiftung im Katalysatorbehälter so zu bestimmen, daß eine bestmögliche Abstimmung der Verweilzeiten des Durchlaufstroms in einem wählbaren Drehzahlbereich des Motors zu den für die Katalyse erforderlichen Kontaktzeiten erfolgt.
Gemäß F i g. 3 ist die Querwand 25 in der Gehäusemitte angeordnet. Das Volumen dieses beiderseitig wirkenden Staubehälters sowie die Größe der Freifläche des Mantels ist wählbar. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Druckhöhe im Bereich des Staubehälters zu den Innenmänteln 17 der Katalysatorbehälter zu bestimmen.
Die Austrittsgeschwindigkeit der Abgase aus den Rohrstutzen 12 wird bei eintretender katalytischer Reaktion im Bereich der Katalysatorbehälter maßgeblich beeinflußt. Die Volumenvergrößerung der Durchlaufmengen infolge der exothermen Oxydation der Abgasanteile, wie Kohlenmonoxyd CO und ungesättigter Kohlenwasserstoffe C"H. wird durch die wählbare Freifläche in der äußeren Mantelfläche des Katalysatorbehälters so gesteuert, daß sie sich nur nach dem Austritt zu auswirken kann. Dazu ist die Freifläche in der äußeren Mantelfläche 18 des Katalysatorbehälters immer größer als die Freifläche in seinem Innenmantel 17.

Claims

Patentansprüche: 1. Auspuffanlage für mehrzylindrige Brennkraftmaschinen, insbesondere für Boxermotoren, bestehend aus einem länglichen Gehäuse mit je einer durch eine mittig gelochte Querwand von der Hauptkammer getrennten Vorkammer an jeder Stirnseite mit in die Vorkammer mündenden verschieden langen Auspuffleitungen der einzelnen Zylinder und mit nahe den Querwänden an die Hauptkammer angeschlossenen Austrittsstutzen, dadurchgekennzeichnet, daß in der Hauptkammer mit allseitigem Abstand ein mit sowohl zur Abgasentgiftung als auch zur Schalldämpfung dienenden Katalysatorteilchen (16) gefüllter Behälter angeordnet ist, der einen gasdurchlässigen, z. B. gelochten Außenmantel (18) und einen ebensolchen vorzugsweise in Stromrichtung konisch verengten Innenmantel (17) aufweist, daß der Behälter durch eine akustisch-steife Querwand (21 in F i g. 1 und 2, 25 in F i g. 3) unterteilt und daß dieser je eine mit der Hauptkammer in Verbindung stehende Prallkammer (20) vorgelagert ist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Vorkammer (14) auf der mittig gelochten Querwand (13) ein in Stromrichtung verengter Trichter (15) angeordnet ist, in den die Auspuffleitungen (1, 2, 3, 4) so münden, daß sich ihre Achsen auf der Trichterachse treffen.
3. Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kammern (20) zugewandten Stirnwände der Katalysatorbehälter zusätzlich gelocht und daß die Mantelflächen der Kammern (20) ebenfalls gelocht sind (F i g. 1 und 2).
4. Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querwand (25) dicht an der Gehäusewand angeschlossen und über je eine kegelstumpfförmige gelochte Fläche (26) mit dem Innenmantel (17) der Katalysatorbehälter verbunden ist (F i g. 3).
5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (18) des Katalysatorbehälters zwischen den Prallkammern (20) und den Austrittsstutzen (12) durch Vollwandstücke (19) teilweise abgedeckt ist.
6. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der mittigen Bohrung der den Kammern (20) zugewandten Querwände der Katalysatorbehälter eine Blende angeordnet ist.
7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) mit einer wärme- und schallisolierenden Schicht (23) versehen ist.