DE19654763B4

DE19654763B4 - Schalldämpfer für einen Zweitaktmotor

Info

Publication number: DE19654763B4
Application number: DE19654763A
Authority: DE
Inventors: Isao Tachikawa Masuda; Shigeru Sayama Sato; Yasuharu Fussa Sato; Kengo Hamura Kubo
Original assignee: Kioritz Corp
Current assignee: Kioritz Corp
Priority date: 1996-04-05
Filing date: 1996-12-30
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2016-12-31
Also published as: SE9700014L; JP3863939B2; SE520831C2; SE9700014D0; DE19654763A1; US5738184A; JPH09273419A

Abstract

Schalldämpfer (20) für einen Zweitaktverbrennungsmotor (1), umfassend:
eine Expansionskammer (31, 32) mit einem Abgaseinlass (27) zum Einleiten des aus dem Auslasskanal (10) des Motors (1) kommenden Abgasstroms in die Expansionskammer (31, 32); und
ein mit einem Raum außerhalb der Expansionskammer (31, 32) verbundenes Außenlufteinführmittel (25, 26; 70; 72, 73; 75, 76; 90, 91, 96) zum Ansaugen von Außenluft und Einführen der Außenluft in den Abgasstrom,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Außenlufteinführmittel in unmittelbarer Nähe des Abgaseinlasses (27) in die Expansionskammer (31, 32) in Wirkverbindung mit diesem derart angeordnet ist, dass der aus dem Abgaseinlass (27) in die Expansionskammer (31, 32) eintretende Abgasstrom das Außenlufteinführmittel um- oder durchströmt und dabei so ausgebildet ist, dass ein Unterdruck zum Ansaugen der Außenluft erzeugt wird und dem Abgasstrom vor dem Durchströmen der Expansionskammer (31, 32) Außenluft beigemischt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer für einen kleinen. luftgekühlten Zweitaktmotor, bevorzugt zur Verwendung in einer kleinen handgeführten Arbeitsmaschine, etwa einer Heckenschere oder einer Kettensäge. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Schalldämpfer, in dem ein Oxidations-Katalysatorelement enthalten ist, um Abgasbestimmungen zu erfüllen.
Mit zunehmendem Umweltbewußtsein sollen auch von einem kleinen luftgekühlten Zweitakt-Benzinmotor, zur Verwendung in einer handgeführten Arbeitsmaschine, wie etwa einer Heckenschere oder einer Kettensäge, abgegebene Abgase entgiftet werden, indem im Abgas enthaltenes HC, CO und NOx reduziert wird. Beispielsweise wird es nach der Kalifornischen Abgasbestimmung "CARB 1999" erforderlich sein, CO, Gesamt-HC (THC) und NOx-Bestandteile von Abgasen zu reduzieren, und zwar nicht höher als 130 g/bhp-h, 50 g/bhp-h bzw. 4 g/bhp-h, und zwar ab dem Jahr 1999.
Um diese Abgasbestimmungen zu erfüllen, gab es verschiedene Vorschläge, um beispielsweise die Form eines Einlaßkanals, eines Auslaßkanals oder eines Spülkanals einer Brennkammer oder einen Zylinder eines Verbrennungsmotors zu verbessern, und ein Abgasreinigungsmittel, wie etwa ein Oxidations-Katalysatorelement in ein Abgassystem einzubauen. Jedoch zeigte keiner der Vorschläge zufriedenstellende Ergebnisse.

Als Maßnahmen zur Anpassung an die Abgasbestimmungen haben die vorliegenden Erfinder bereits Schalldämpfer vorgeschlagen, die jeweils außen an einem Körper eines Verbrennungsmotors anzubringen sind, um einen Abgasstrom von einem Auslaßkanal des Verbrennungsmotors direkt in den Schalldämpfer einzuführen, und wobei in dem Schalldämpfer in bestimmter Weise ein Oxidations-Katalysatorelement enthalten ist, um das Abgas zu reinigen. Insbesondere wurde ein Schalldämpfer mit einer darin angeordneten Oxidations-Katalysatoranordnung vorgeschlagen, hergestellt durch Aufsetzen eines oxidationskatalytischen Elements in Form eines katalytischen Gewebes über ein Funkensperr-Drahtgitter, und vollständiges oder überwiegend teilweises Abdecken des Umfangsrands des oxidationskatalytischen Elements mit Seitenwänden am Umfang des Drahtgitters zur Bildung eines im wesentlichen U- oder zugespitzt V-förmigen Oxidations-Katalysatorelements (Beispiel 1 der japanischen Patentanmeldung Nr. 09-112258). Ein anderer Schalldämpfer hat ein Oxidations-Katalysatorelement, das ein gasdurchlässiges poröses metallisches Element aufweist, das an einen Abgaseingangskanal des Schalldämpfers angeordnet ist (Beispiel 2 der japanischen Patentanmeldung Nr. 09184418 A).

Bei diesen herkömmlichen Beispielen 1 und 2 trägt jedoch die Struktur des Schalldämpfers selbst sowie das Material, die Form und die Anordnung des Oxidations-Katalysatorelements und dgl. nicht notwendigerweise zum Erreichen der gewünschten Abgasreinigungsleistung bei. Ferner werden keine besonderen Maßnahmen getroffen, um die Montageeigenschaften des Schalldämpfers an dem Verbrennungsmotor zu verbessern, sowie den Zusammenbau, die Konstruktionsfreiheit und dgl. Ferner werden die Schwierigkeiten des Temperaturanstiegs aufgrund der Reaktion (Verbrennungsoxidation) des Abgases unter der katalytischen Wirkung des Oxidations-Katalysatorelements nicht berücksichtigt.

Der Anmeldet der vorliegenden Erfindung hat ferner folgenden Schalldämpfer entwickelt (japanische Patentanmeldung Nr. 09273416 A). Der Schalldämpfer hat eine Expansionskammer, in welche ein Abgasstrom aus einem Auslaßkanal eines Verbrennungsmotors eingeführt wird, eine Trennplatte, durch die, die Expansionskammer vertikal in erste und zweite Expansionskammern unterteilt wird, sowie ein Oxidations-Katalysatorelement, das aus gasdurchlässigem, porösem, metallischem Material hergestellt ist, das an der Trennplatte vorgesehen ist, um das Abgas aus der ersten Expansionskammer durch das Oxidations-Katalysatorelement in die zweite Kammer zu leiten.

Bei diesem Schalldämpfer bestätigte sich insbesondere, daß der THC-Gehalt des Abgases im Vergleich mit den herkömmlichen Beispielen 1 und 2 signifikant reduziert ist. Jedoch erhielt man kein zufriedenstellendes Ergebnis bei der Reduktion des CO-Gehalts.

Zur Reduktion des CO-Gehalts von Abgas muß man CO mit O₂ reagieren lassen, um CO₂ zu bilden (CO + 1/2O₂ → CO₂). Da jedoch das Abgas, das sich aus der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Zylinder des Verbrennungsmotors ergibt, in den ersten und zweiten Expansionskammern unter der oxidationsfördernden Wirkung (verbrennungsfördernden Wirkung) des Oxidations-Katalysatorelements weiterer Oxidation (Verbrennung) unterliegt, enthält das Abgas in der zweiten Expansionskammer nicht mehr genügend O₂. Demzufolge kann die Reaktion von CO + 1/2O₂ → CO₂ nicht genügend fortschreiten, so daß die Reduktion des CO-Gehalts ungenügend ist.

Aus dem DE-GM 7041152 ist ein Schalldämpfer für einen Kraftfahrzeugmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 bekannt. Dort ist das Außenlufteinführmittel der Expansionskammer nachgeschaltet.

Aus der DE 44 07 088 A1 ist ein weiterer gattungsgemäßer Schalldämpfer bekannt, bei dem die Expansionskammer stromauf einer Mischkammer angeordnet ist, in welche dann Außenluft eingeleitet wird.

Die US-5 457 290 zeigt einen Schalldämpfer mit eingebautem Katalysatorelement.

Ziel der Erfindung ist es, einen Schalldämpfer für einen Zweitaktmotor anzugeben, der durch eine relativ einfache Struktur wirkungsvoll den CO-Gehalt des Abgases reduzieren kann.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein gattungsgemäßer Schalldämpfer mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von An spruch 1 vorgeschlagen.

Eine bevorzugte Ausführung des externen Außenlufteinlaßmittels umfaßt ein Venturirohr mit einer Engstelle sowie ein Außen lufteinführrohr, wobei das Venturirohr derart angeordnet ist, daß Abgas durch dieses hindurchblasen kann, wobei das Außenlufteinführrohr eine Verbindung zwischen der Engstelle des Venturirohrs und der Außenseite der Expansionskammer bildet. Bevorzugt ist das Außenlufteinführrohr mit seinem Oberende außerhalb der Expansionskammer angeordnet und mit seinem Unterende im Verlauf des Abgasstroms aus dem Auslaßkanal, um an dessen Unterende durch den Abgasstrom einen Unterdruck zu erzeugen, wobei das Außenlufteinführrohr durch den Unterdruck unter Saugwirkung Außenluft in die Expansionskammer einführt.

In dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer wird Außenluft unter Saugwirkung in die Expansionskammer durch das Außenlufteinlaßmittel unter Verwendung des Abgasstroms eingeführt. Die Einführung der Außenluft in die Expansionskammer erhöht die O₂-Menge in der Expansionskammer, um hierdurch die Oxidation von CO₂ zu fördern. Infolgedessen ist der CO-Gehalt des nach außen abgegebenen Abgases merklich geringer.

Als Mittel zum Zuführen von Außenluft in die Expansionskammer läßt sich eine äußere Vorrichtung, wie etwa eine Luftpumpe, verwenden. Jedoch ist eine solche Vorrichtung für einen kleinen luftgekühlten Zweitakt-Benzinmotor in einer handgeführten Arbeitsmaschine im Hinblick auf Gewicht, Kosten, Bedienbarkeit und dgl. nicht empfehlenswert. Im Gegensatz hierzu hat das erfindungsgemäße Außenlufteinlaßmittel eine einfache Struktur und ist wirtschaftlich vorteilhaft.

In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers ist ein Abgaskühlmittel in der Nähe eines Abgasauslaßkanals zur Ausgabe des Abgases aus der Expansionskammer nach außen vorgesehen, wobei das Abgaskühlmittel durch den auszugebenden Abgasstrom Außenluft in das Abgas einmischt.

In einer weiter bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers ist die Expansionskammer durch eine Trennplatte vertikal in eine erste Expansionskammer und eine zweite Expansionskammer unterteilt. Ein Oxidations-Katalysatorelement kann dem Außenlufteinlaßmittel nachgeschaltet sein und ist hier an der Trennplatte derart angebracht, daß Abgas aus dem Auslaßkanal von der ersten Expansionskammer durch den Abgasreiniger in die zweite Expansionskammer geleitet wird. Die erste Expansionskammer ist mit dem Außenlufteinlaßmittel versehen.

In einer weiter bevorzugten Ausführung umfaßt das Oxidations-Katalysatorelement einen gasdurchlässigen Schaum.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Vertikalschnitt durch eine Ausführung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers in Kombination mit einem Zweitaktmotor, an dem der Schalldämpfer angebracht ist;
2 ist eine Draufsicht des in 1 gezeigten Schalldämpfers;
3 ist ein Schnitt entlang Linie III-III in Blickrichtung der Pfeile in 1;
4 ist eine Schnittansicht entlang Linie IV-IV in Blickrichtung der Pfeile in 1;
5 ist ein Vertikalschnitt einer anderen Ausführung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers in Kombination mit einem Zweitaktmotor, an dem der Schalldämpfer angebracht ist;
6 ist eine Draufsicht des Schalldämpfers von 5;
7 ist eine Schnittansicht entlang Linie VII-VII in Blickrichtung der Pfeile in 5;
8 ist eine Schnittansicht entlang Linie VIII-VIII in Blickrichtung der Pfeile in 5;
9 ist ein vergrößerter Schnitt einer Ausführung des Abgaskühlmittels in dem Schalldämpfer von 1;
10 ist ein vergrößerter Schnitt einer anderen Ausführung des Abgaskühlmittels in dem Schalldämpfer in 5;
11 zeigt graphisch die Ergebnisse von Vergleichsexperimenten für den THC-Gehalt zwischen dem in 1 gezeigten Schalldämpfer und herkömmlichen Schalldämpfern;
12 zeigt graphisch Versuchsergebnisse zum CO-Gehalt zwischen dem in 1 gezeigten Schalldämpfer und herkömmlichen Schalldämpfern;
13 zeigt eine andere Ausführung des Außenlufteinlaßmittels in dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer;
14 zeigt eine weitere Ausführung des Außenlufteinlaßmittels in dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer;
15 zeigt eine noch weitere Ausführung des Außenlufteinlaßmittels in dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer.
Im folgenden werden Ausführungen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 und 2 zeigen eine Ausführung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers in Kombination mit einem Zweitaktmotor. In der dargestellten Ausführung ist der Verbrennungsmotor 1 ein kleiner luftgekühlter Zweitakt-Benzinmotor mit Schnürle-Spülung (nachfolgend einfach als Verbrennungsmotor bezeichnet), der als Antriebsquelle in einer handgeführten Arbeitsmaschine, wie etwa einer Heckenschere oder einer Kettensäge, enthalten ist und dessen Hubraum beispielsweise etwa 23 cm³ beträgt. Der Verbrennungsmotor 1 umfaßt einen Zylinder 2 mit einer halbkugelförmigen Brennkammer 5, die mit einer Zündkerze 15 ausgestattet ist, ein Kurbelgehäuse 3, das sich an den Boden des Zylinders 2 anschließt, sowie einen Kolben 4, der in den Zylinder 2 eingesetzt ist. Der Verbrennungsmotor 1 umfaßt einen Einlaßkanal 7, der mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch-Zufuhrweg 8 eines Vergasers verbunden ist, und einen Auslaßkanal 10, der mit einem nachfolgend zu beschreibenden Schalldämpfer 20 verbunden ist (links bzw. rechts in 1), und umfaßt ferner ein Paar von Spülkanälen (nicht gezeigt) an dessen Vorder- bzw. Rückseite. Diese Kanäle sind an dem Verbrennungsmotor 1 wie folgt vorgesehen.
In einem üblichen Verbrennungsmotor wird die vertikale Hin- und Herbewegung des Kolbens 4 über eine Pleuelstange 11 in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle 12 gewandelt, an der ein Ausgleichsgewicht 14 angebracht ist, und die Ausgangskraft der Kurbelwelle wird als Antriebskraft der handgeführten Arbeitsmaschine verwendet.
Der Schalldämpfer 20 dieser Ausführung ist am Mund des Auslaßkanals 10 des Zylinders 2 des Verbrennungsmotors 1 über eine Wärmeisolierplatte 22 angebracht. Der Schalldämpfer 20 hat eine Expansionskammer, die hier durch eine in vertikaler Richtung (parallel zur Längsrichtung des Verbrennungsmotors 1) sich erstreckende Trennplatte 40 in eine erste Kammer 31 und eine zweite Kammer 32 unterteilt ist. Als Trennplatte 40 dient eine rostfreie Stahlplatte (SUS-Platte) mit einer thermischen Leitfähigkeit, die so gering ist wie etwa ein Drittel jener einer üblichen Kohlenstoffstahlplatte.
Die erste Expansionskammer 31 ist durch einen doppelwandigen Abschnitt begrenzt, die eine rechteckige rohrartige Innenwandplatte 41 mit gemäß 1 rechten und linken Öffnungen sowie eine kastenartige Außenwandplatte 36 mit einer gemäß 1 rechten Öffnung aufweist, und ist durch eine Trennplatte 40 begrenzt, wodurch man eine rechtwinklige parallelepipedförmige Gestalt erhält (s. auch 3). Die Außenwandplatte 36 ist mit einer Verstärkungsplatte 24 an einer Stelle verkleidet, die jener des Munds des Auslaßkanals 10 entspricht und die mit einem Abgaseinlaßdurchgang 27 versehen ist, um einen Abgasstrom von dem Auslaßkanal 10 in den Schalldämpfer 20 einzuführen (s. 1 und 3).
Die Innenwandplatte 41 und die Außenwandplatte 36 sind derart miteinander kombiniert, daß Biegungsabschnitte 41a der Innenwandplatte 41, von denen einer den Verbrennungsmotor 1 benachbart ist und der andere diesem gegenüberliegt, und gegenüberliegende Abschnitte der Außenwandplatte 36 beispielsweise durch Schweißen miteinander verbunden sind, und daß deren verbleibende Abschnitte mit einem geeigneten Abstand voneinander gehalten sind, der einen Luftspalt Sa bildet. Die Außenwandplatte 36 umfaßt eine Platte 36A, die dem Verbrennungsmotor 1 benachbart ist, und eine distale Platte 36B, deren Biegeränder aneinanderliegend miteinander verbunden sind.
Die zweite Expansionskammer 32 ist durch einen doppelwandigen Abschnitt begrenzt, der eine kastenartige Innenwandplatte 42 umfaßt, die eine linke Öffnung aufweist, sowie durch eine kastenartige Außenwandplatte 37, die gemäß 1 eine linke Öffnung aufweist, und ist durch die Trennplatte 40 begrenzt, so daß sie eine rechtwinklige parallelepipedische Form erhält. Die Innenwandplatte 42 und die Außenwandplatte 37 sind miteinander derart kombiniert, daß ein Biegeabschnitt 42a der Innenwandplatte 42, der dem Verbrennungsmotor 1 benachbart ist, und ein gegenüberliegender Abschnitt der Außenwandplatte 37 beispielsweise durch Schweißen miteinander verbunden sind, und daß deren verbleibende Abschnitte mit einem geeigneten Abstand voneinander gehalten sind, der einen Luftspalt Sb bildet.
Die Trennplatte 40 ist am Umfang zwischen Rändern 36a, 37a der Außenwandplatten 36, 37 gehalten, welche die Außenwände der ersten bzw. zweiten Expansionskammern 31, 32 darstellen, und ist durch eine vorbestimmte Anzahl von Bolzen-Muttern 45 luftdicht festgeklemmt.
Wie in 2 gezeigt, sind die Oberseiten der Außenwandplatten 36 (36B), 37 entlang der Trennplatte 40 mit einer erforderlichen Anzahl (in diesem Fall jeweils vier) nebeneinander verlaufender, langgestreckter oder bahnförmiger Öffnungen 38, 39 versehen.
In einem unteren Abschnitt der Trennplatte 40 durchsetzt ein Oxidations-Katalysatorelement 50 als Abgasreiniger die Trennplatte 40, so daß es sowohl in die erste Expansionskammer 31 als auch in die zweite Expansionskammer 32 vorsteht und einen gasdurchlässigen Schaum mit rechteckig parallelepipedischer Form aufweist. Insbesondere ist in einem unteren Abschnitt der Trennplatte 40 eine rechtwinklige Katalysatorelement-Montageöffnung 40a ausgebildet. Eine Schale 52 aus rostfreiem Stahl (SUS) in Form eines rechteckigen Rohrs ist durch die Katalysatorelement-Montageöffnung 40a eingesetzt, und die Schale 52 ist durch ein L-förmiges Befestigungselement 54 aus Metall an der Trennplatte 40 befestigt. Das Oxidations-Katalysatorelement 50 ist an der Schale 52 befestigt. Gemäß 1 sind am linken Ende der Unterseite und an der Mitte des rechten Endes der Oberseite der Schale 52 Klemmen oder Biegelaschen 52a, 52b vorgesehen, die aus der gestrichelt gezeigten Stellung in die mit durchgehenden Linien gezeigte Stellung gebogen sind, um hierdurch das Oxidations-Katalysatorelement 50 zu halten.
Auf diese Weise wird das Oxidations-Katalysatorelement 50 durch die Schale 52 in der Trennplatte 40 gehalten. Hierdurch wird die Form des Oxidations-Katalysatorelements einfacher und ermöglicht problemlos Größenänderungen, Positionsänderungen, Austausch und eine erhöhte Anzahl von Oxidations-Kataly satorelementen. Die Schale 52 kann mit einer geeigneten Anzahl kleiner Öffnungen oder Perforationen versehen sein. Dies ergibt eine Änderung der katalytischen Kontaktfläche zwischen dem Abgas und dem Oxidations-Katalysatorelement 50. Demzufolge läßt sich der Ablauf der katalytischen Reaktion steuern.
In der Trennplatte 40 und über dem Oxidations-Katalysatorelement 50 ist ein Paar von Hohlräumen 40b, 40b vorgesehen, welche im wesentlichen auf gleicher Höhe mit dem Auslaßkanal 10 und dem Abgaseinführdurchgang 27 in die erste Expansionskammer 31 vorstehen. In den Hohlräumen 40b, 40b sitzen Köpfe von Bolzen 56 zum Montieren des Schalldämpfers 20 an dem Zylinder 2 des Verbrennungsmotors 1 (siehe auch 4).
Wie in den 1 bis 4 gezeigt, sind an der ersten Expansionskammer 31 Klemmbuchsen 55, 55 fest angebracht, welche brückenartig die Verstärkungsplatte 24 mit den Hohlräumen 40b, 40b auf im wesentlichen der gleichen Höhe des Auslaßkanals 10 und des Abgaseinführdurchgangs 27 verbinden. Weitere Bolzeneinführbuchsen 57, 57 sind in der zweiten Expansionskammer 32 koaxial zu den Klemmbuchsen 55, 55 fest angebracht.
Wenn der Schalldämpfer 20 außen an dem Zylinder 2 montiert wird, werden die Bolzen 56, 56 gemäß 1 von der rechten Seite des Schalldämpfers 20 durch die Bolzeneinführbuchsen 57, 57 in die Klemmbuchsen 55, 55 eingeführt und dann gedreht, um Außengewinde-Führungsendabschnitte der Bolzen 56, 56 in Innengewinde (nicht gezeigt) in der Wand des Zylinders 2 einzuschrauben und hierdurch den Schalldämpfer 20 über die Trennplatte 40 und die Klemmbuchsen 55, 55 dicht an dem Zylinder 2 festzuklemmen.
Wenn der Schalldämpfer 20 an dem Verbrennungsmotor 1 montiert wird, könnte man Bolzen mit einer solchen Länge verwenden, daß sie die zweite Expansionskammer 32 und die erste Expansionskammer 31 durchqueren, so daß sie gemäß 1 von der rechten Seite des Schalldämpfers 20 in den Zylinder 2 eingeschraubt werden. Jedoch könnte bei solchen Bolzen die Stabilität und die Montagesicherheit unsicher sein, weil die Bolzen außerordentlich lang sind. Im Gegensatz hierzu werden in der vorliegenden Ausführung die Bolzen über die Trennplatte 40 eingeschraubt, so daß die Bolzen eine geringere Länge haben und die Festigkeit des Schalldämpfers 20 erhöhen. Die in der Trennplatte 40 vorgesehenen Hohlräume 40b, 40b tragen auch dazu bei, daß die Bolzen 56, 56 eine weiter reduzierte Länge haben. Demzufolge kann der Schalldämpfer 20 stabil und sicher an dem Verbrennungsmotor 1 montiert werden.
Ferner wirken die Hohlräume 40b, 40b als Verstärkungsrippen der Trennplatte 40, um die Strukturfestigkeit der Trennplatte 40 zu erhöhen, und sie dienen zum Dämpfen von Schwingungen, die durch Abgasimpulse und dgl. verursacht sind.
In der Nähe der gemäß 1 oberen rechten Ecke der zweiten Expansionskammer 32 ist ein Endrohr 60, das einen Abgasauslaßkanal zum Abgeben von Abgas nach außen bildet, an einem Träger 59 orthogonal zu den Bolzeneinführbuchsen 57 befestigt. Wie in den 2 und 4 gezeigt, ist das Endrohr 60 derart angeordnet, daß sein eines Ende 60a in der Nähe der gemäß 2 oberen rechten Ecke und somit an einer angenähert weitesten Stelle von dem Oxidations-Katalysatorelement 50 angeordnet ist, und dessen anderes Ende 60b als Abgasauslaßende ein wenig von der Außenwandplatte 37 vorsteht. Das Endrohr 60 ist in Länge, Bohrungsdurchmesser und dgl. derart gewählt, daß es bezüglich Ausgangsleistung und Geräuschminderung optimale Abmessungen hat.
Der Schalldämpfer 20 dieser Ausführung hat ein relativ großes Volumen im Vergleich mit solchen, die an irgendeinem Verbrennungsmotor mit angenähert gleichem Hubraum wie dem des Verbrennungsmotors 1 angebracht sind. Insbesondere hat der Schalldämpfer 20 etwa das 1,5- bis 2-fache Volumen jener Schalldämpfer der obigen herkömmlichen Beispiele 1 und 2 (et wa das 18-fache des Hubraums).
Zusätzlich zu den oben genannten strukturellen Merkmalen hat der Schalldämpfer dieser Ausführung ein dem Katalysatorelement vorgeschaltetes Außenlufteinlaßmittel 26 , das unmittelbar in der Nähe des Abgaseinführdurchgangs 27 der ersten Expansionskammer 31 vorgesehen ist, um durch Saugkraft eines eingeführten Abgasstroms Außenluft einzuführen.
Das Außenlufteinlaßmittel umfaßt ein Venturirohr 25 mit einer Engstelle 25a, das entlang der Abgasströmungsrichtung angeordnet ist, so daß Abgas durch dieses hindurchtreten kann, sowie ein Außenlufteinführrohr 26, das eine Verbindung zwischen der Engstelle 25a und dem Luftspalt 5a herstellt. Das Venturirohr 25 und das Außenlufteinführrohr 26 sind an der Verstärkungsplatte 24 bzw. der Innernwandplatte 41 befestigt, etwa durch Schweißen oder dgl. In dieser Ausführung hat das Venturirohr 25 einen stromaufwärtigen Durchmesser, der ein wenig kleiner als die Weite des Auslaßkanals 10 des Verbrennungsmotors ist (im wesentlichen gleich der Weite des Abgaseinführdurchgangs 27). Wie in 3 gezeigt, bedeckt das Venturirohr 25 nicht vollständig das Außenende des Auslaßkanals 10 und des Abgaseinführdurchgangs 27, und hierdurch sind Spalte Ra, Rb zwischen den Konturen des Venturirohrs 25 und den Kanälen/Durchgängen 10, 27 gebildet, wenn man von einer stromabwärtigen Position blickt. Dies erleichtert die Herstellung des Venturirohrs 25 und hat ferner folgenden Grund. Durch Bildung der Spalte Ra, Rb kann der Abgasstrom teilweise das Venturirohr 25 umgehen. Demzufolge wird der Abgasstrom nicht wesentlich verzögert. Dies ergibt einen glattgängigen Gasaustausch in der Brennkammer 5, was hierdurch den Leistungsverlust minimiert.
Wie in den 4 und 9 gezeigt, ist am anderen Ende 60b des Endrohrs 60 ein Abgaskühlmittel mit einem Venturirohr 66 und einem Außenlufteinführrohr 67 vorgesehen, um durch einen gerade auszugeben Abgasstrom Außenluft in das Abgas einzumi schen.
In dem Schalldämpfer 20 dieser Ausführung wird der Abgasstrom aus dem Auslaßkanal 10 des Verbrennungsmotors 1 zuerst in die erste Expansionskammer 31 eingeführt, wobei er nahe Schallgeschwindigkeit hauptsächlich durch das Venturirohr 25 und teilweise durch die Spalte Ra, Rb hindurchtritt und sich anschließend ausdehnt und dort verteilt, wie in 1 mit strichpunktierten Pfeilen gezeigt, wodurch der Abgaslärm reduziert wird.
Das somit in die erste Expansionskammer 31 eingeführte Abgas wird dann zwangsweise in das Oxidations-Katalysatorelement 50 eingeführt, welches die Trennplatte 40 durchsetzt, und zwar von einer freiliegenden Seite des Oxidations-Katalysatorelements 50 her, und wird dann durch Poren in dem Oxidations-Katalysatorelement 50 in die zweite Expansionskammer 32 eingeführt, und zwar aufgrund einer Druckdifferenz zwischen der ersten Expansionskammer 31 und der benachbarten zweiten Expansionskammer 32, die von jener durch die Trennplatte 40 getrennt ist. Beim Durchtritt durch das Oxidations-Katalysatorelement 50 reagiert das Abgas intensiv mit Sauerstoff, der von der ersten Expansionskammer 31 her mitgebracht wird, d.h. es wird durch die katalytische Wirkung des Oxidations-Katalysatorelements 50 einer intensiven Verbrennungsoxidation unterzogen. Das somit gereinigte Abgas in der zweiten Expansionskammer 32 wird über das Endrohr 60 und das Venturirohr 66, das am anderen Ende 60b des Endrohrs 60 angebracht ist, nach außen abgegeben.
Wenn das Abgas durch das Venturirohr 25 als Bestandteil des Außenlufteinlaßmittels hindurchtritt, wird um das untere Ende des Außenlufteinführrohrs 26, das mit der Engstelle 25a des Venturirohrs 25 verbunden ist, durch den Abgasstrom ein Unterdruck erzeugt. Hierdurch wird außerhalb der Außenwandplatte 36 befindliche Umgebungsluft durch die in der Außenwandplatte 36 gebildeten Öffnungen 38 in den Luftspalt Sa gesaugt und von da weiter durch das Außenlufteinführrohr 26 in das Venturirohr 25 gesaugt, wie in 1 mit Strich-Doppelpunkt-Pfeilen gezeigt. Demzufolge wird zusammen mit dem Abgas Außenluft in die erste Expansionskammer 31 geleitet.
Wenn, wie oben beschrieben, Außenluft in die erste Expansionskammer 31 gesaugt wird, wird die O₂-Menge in der ersten Expansionskammer 31 erhöht, um die Oxidation von CO zu fördern. Demzufolge wird der CO-Gehalt der Abgase stark reduziert.
Um diesen Effekt sowie den Schalldämpfer 20 dieser Ausführung zu demonstrieren, wurden vorbereitet ein Schalldämpfer mit einer Struktur des Schalldämpfers 20, jedoch ohne Außenlufteinführmittel (Venturirohr 25 und Außenlufteinführrohr 26), d.h. mit einer Struktur, bei der keine Außenluft in die erste Expansionskammer 31 eingesaugt wurde (herkömmliches Beispiel A), sowie ein Schalldämpfer mit einer Struktur, bei der das Oxidations-Katalysatorelement 50 aus dem Schalldämpfer 20 entfernt wurde (herkömmliches Beispiel B). Unter Verwendung dieser Schalldämpfer wurden Vergleichsexperimente unter gleichen Bedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in den 11 und 12 gezeigt.
11 und 12 zeigen, daß sowohl der CO- als auch der THC-Gehalt des Abgases im Schalldämpfer 20 dieser Ausführung merklich reduziert waren, wenn man dies mit den herkömmlichen Beispielen A und B vergleicht.
Wenn das Abgas aus dem Endrohr 60 nach außen abgegeben wird, wird Außenluft durch das Außenlufteinführrohr 67 in das Venturirohr 66 gesaugt und in das gerade abzugebende Abgas gemischt, und zwar genauso wie bei den Außenlufteinlaßmitteln gemäß 9, um hierdurch die Temperatur des Abgases wirkungsvoll zu reduzieren.
Ferner ist bei dem Schalldämpfer 20 dieser Ausführung die Expansionskammer durch die Trennplatte 40 vertikal in die erste Expansionskammer 31 und die zweite Expansionskammer 32 unterteilt. Demzufolge hat diese Ausführung den Vorteil, daß die Bildung eines Vorsprungs, wie etwa eines Ansatzes, in der sich an dem Verbrennungsmotor 1 abstützenden Seite vermeidbar ist, oder sich die Anzahl von Vorsprüngen in der Seite minimieren läßt, um hierdurch die Montage und den Zusammenbau zu verbessern, im Vergleich mit einem solchen Schalldämpfer, dessen Expansionskammer durch eine Trennplatte horizontal oder in Längsrichtung in Hälften unterteilt ist. Der Schalldämpfer dieser Ausführung hat weitere Vorteile darin, daß das Volumen des Schalldämpfers 20, das Volumenverhältnis zwischen der ersten Expansionskammer 31 und der zweiten Expansionskammer 32 und dgl. leicht geändert werden können, im Vergleich mit einem solchen Schalldämpfer, dessen Expansionskammer durch eine Trennplatte horizontal oder in Längsrichtung in Hälften unterteilt ist.
Ferner wird als Abgasreiniger das Oxidations-Katalysatorelement 50 verwendet, welches ein gasdurchlässiges metallisches Schaumelement mit rechtwinkliger parallelepipedischer Form aufweist. Hierdurch wird das Verstopfen und Zusetzen merklich gemindert, was zu reduziertem Gasströmungswiderstand und Leistungsverlust führt.
Ferner sind die Seiten der ersten und zweiten Expansionskammern 31, 32 außer jener Seite, die sich an dem Verbrennungsmotor 1 abstützt, aus doppelwandigen Abschnitten gebildet, die jeweils die Innenwandplatten 41, 42 und die Außenwandplatten 36, 37 umfassen, wobei die Innen- und Außenwandplatten mit einem geeigneten Abstand voneinander gehalten werden, so daß sich Luftspalte Sa, Sb ergeben. Demzufolge wird die Temperatur der Außenfläche des Schalldämpfers 20 gesenkt.
Weil ferner die Oberseiten der Außenwandplatten 36 (36B), 37 mit einer erforderlichen Anzahl von Öffnungen 38, 39 nahe der Trennplatte 40 versehen sind, wird die thermische Ausdehnung der Luft in den Luftspalten Sa, Sb aufgrund des Temperaturanstiegs reduziert. Ferner wird die Luft mit erhöhter Temperatur in dem Luftspalt Sa der ersten Expansionskammer 31 in den Schalldämpfer 20 eingesaugt, um die Kühlung zu fördern. Die Luftspalte Sa, Sb können miteinander kommunizieren, so daß Kühlluft um den gesamten Umfangsabschnitt des Schalldämpfers 20 zirkuliert, um hierdurch den Schalldämpfer 20 insgesamt zu kühlen.
Ferner befindet sich ein Ende des Endrohrs 60 an im wesentlichen der entferntesten Stelle von dem Oxidations-Katalysatorelement 50. Demzufolge wird die Temperatur des Abgases wirkungsvoll reduziert, bevor es nach außen abgegeben wird.
Im vorstehenden wurde eine Ausführung der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Jedoch sind folgende Varianten möglich.
Als Außenlufteinlaßmittel läßt sich anstelle des oben beschriebenen Außenlufteinlaßmittels mit dem Venturirohr 25 und dem Außenlufteinführrohr 26 eine Alternative verwenden. Insbesondere läßt sich ein gekrümmtes Außenlufteinführrohr 70 verwenden, dessen Oberende 70a außerhalb der ersten Expansionskammer 31 angeordnet ist und dessen Unterende 70b im Verlauf des Abgasstroms angeordnet ist, wobei dessen Öffnung stromabwärts weist, wie in den 5 bis 7 zu sehen. Durch Nutzung von Unterdruck, der etwa am Unterende 70 durch den Abgasstrom erzeugt wird, wird Außenluft in die erste Expansionskammer 31 gesaugt. In der alternativen Ausführung des Außenlufteinlaßmittels erhält man im wesentlichen den gleichen Effekt wie bei der oben beschriebenen Ausführung.
Ferner läßt sich als Abgaskühlmittel anstelle des oben beschriebenen Abgaskühlmittels mit dem Venturirohr 66 und dem Außenlufteinführrohr 67 alternativ etwa ein Venturirohr 65 verwenden, das an einem Befestigungselement 68 mit geringem Abstand vom anderen Ende 60b des Endrohrs 60 befestigt ist.
Durch den Spalt zwischen dem anderen Ende 60b des Endrohrs 60 und dem Venturirohr 65 wird Außenluft eingeführt, wie in den 8 und 10 gezeigt.
Ferner kann der Abgasreiniger 50 eine metallische oder keramische Matrix oder dgl. aufweisen. Der Abgasreiniger 50 kann in verschiedener Weise, beispielsweise durch Verklebung, an der Trennplatte 40 angebracht sein.
Bei den oben beschriebenen zwei Ausführungen der Außenlufteinlaßmittel ist das Oberende des mit dem Venturirohr 25 verbundenen Außenlufteinführrohrs 26 bzw. des gekrümmten Außenlufteinführrohrs 70 in dem Luftspalt Sa angeordnet, der zwischen der Außenwandplatte 36 und der Innenwandplatte 41 vorgesehen ist, und es wird Außenluft aus den in der Außenwandplatte 36 vorgesehenen Öffnungen 38 über den Luftspalt Sa in die erste Expansionskammer 31 gesaugt. Demzufolge wird auch Luft in dem Luftspalt Sa in die erste Expansionskammer 31 eingeführt und durch die eingeführte Außenluft ersetzt. Infolgedessen wird die Kühlung der ersten Expansionskammer 31 verbessert.
Die Luftspalte Sa, Sb sind in der obigen Ausführung voneinander getrennt ausgebildet. Jedoch können die Luftspalte miteinander kommunizieren, um eine Anordnung von Luftspalten oder einen einzigen Luftspalt zu bilden. Mit einer solchen Anordnung von Luftspalten oder einem einzigen Luftspalt ist das Oberende des Außenlufteinführrohrs 26 oder des gekrümmten Außenlufteinführrohrs 70 in der Anordnung von Luftspalten oder in dem einzigen Luftspalt angeordnet, und an geeigneten Stellen in den Außenwandplatten 36, 37 befindet sich eine geeignete Anzahl von Öffnungen. Hierbei wird Außenluft durch die Anordnung von Luftspalten oder dem einzelnen Luftspalt eingeführt, um die darin befindliche Luft zu verdrängen. Demzufolge wird sowohl die zweite Expansionskammer 32 als auch die erste Expansionskammer 31, d.h. der gesamte Schalldämpfer 20, wirkungsvoll gekühlt.
Wie in den 1 und 5 gestrichelt gezeigt, kann das Außenlufteinführrohr 26 oder das gekrümmte Außenlufteinführrohr 70 durch die Außenwandplatte 36 nach oben verlängert sein, um direkt Außenluft einzuführen, ohne Durchtritt durch den Luftspalt Sa. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß Außenluft eingeführt wird, die noch nicht der Wärme des Schalldämpfers ausgesetzt war und somit eine geringere Temperatur hat. In dieser Ausführung könnten jedoch Fremdstoffe, Staub oder dgl., durch das Außenlufteinführrohr 26 oder das Außenlufteinführrohr 70 in den Schalldämpfer 20 eintreten. Demzufolge müssen Vorsorgemaßnahmen getroffen werden. Beispielsweise kann die Öffnung des Oberendes des Außenlufteinführrohrs 26 oder des gekrümmten Außenlufteinführrohrs 70 mit einem Filter abgedeckt sein oder deren oberer Endabschnitt kann gebogen sein.
Das Außenlufteinführmittel ist nicht auf die oben beschriebenen zwei Ausführungen beschränkt. Andere Ausführungen der Außenlufteinlaßmittel sind in den 13, 14 und 15 als Beispiele gezeigt.
Das in 13 gezeigte Außenlufteinlaßmittel umfaßt ein Außenlufteinführrohr 72 und ein konisches Hohlelement 73. Das Außenlufteinführrohr 72 ist mit seinem Oberende 72a außerhalb der Außenwandplatte 36 oder in dem Luftspalt Sa angeordnet, und das Unterende 72b ist an einer Stelle nahe dem Scheitel des konischen Hohlelements 73 mit diesem verbunden. Durch einen Abgasstrom aus dem Auslaßkanal 10 wird in dem konischen Hohlelement 73 ein Unterdruck erzeugt. Durch den Unterdruck wird Außenluft eingesaugt. Bei dieser Ausführung ist die Wirkung der Außenlufteinführung weiter verbessert, im Vergleich mit dem Außenlufteinlaßmittel, das nur aus dem gekrümmten Außenlufteinführrohr 70 besteht, wie in 5 gezeigt.
Das in 14 gezeigte Außenlufteinführmittel umfaßt ein Außenlufteinführrohr 76 und ein zylindrisches Element 75, das mit einer Öffnung 75a versehen ist. Das Außenlufteinführrohr 76 ist mit seinem Oberende 76a außerhalb der Außenwandplatte 36 oder in dem Luftspalt Sa angeordnet, und das Unterende 76b ist in der Nähe der Öffnung 75a angeordnet. Mittels der Öffnung 75a wird der Abgasstrom verengt, so daß die Geschwindigkeit des Abgasstroms zunimmt. Demzufolge wird um die Öffnung 75a herum ein Unterdruck erzeugt. Durch den Unterdruck wird Außenluft eingesogen. Auch hierbei erhält man den gleichen Effekt wie beim Außenlufteinführmittel unter Verwendung des Venturirohrs 25 gemäß 1.
Das in 15 gezeigte Außenlufteinlaßmittel umfaßt ein Außenluft-Einführkanalsloch 96, das in einer Seitenwand der Innenwandplatte 41 gebildet ist, ein Flügelrad 90, das an der Seitenwand und konzentrisch zu dem Außenluft-Einführkanalsloch 96 drehbar angebracht ist, sowie ein Führungselement 91 zum Führen eines Teils des Abgases zu den Flügeln 92 des Flügelrads 90. Das Flügelrad 90 dreht sich durch den Abgasstrom und erzeugt durch Drehbewegung des Flügelrads 90 einen Unterdruck um die Mitte des Flügelrads 90. Durch den Unterdruck wird Außenluft eingesaugt.
Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer für einen Zweitaktmotor der CO-Gehalt von Abgasen mit einer relativ einfachen Struktur wirkungsvoll reduzieren läßt.
Ein Schalldämpfer 20 für einen Zweitaktverbrennungsmotor 1 umfaßt eine Expansionskammer 31, 32, in die ein Abgasstrom aus dem Motor 1 eingeführt wird. In der Nähe eines Abgaseinlasses 10 von dem Motor 1 in die Expansionskammer 31, 32 hat der Schalldämpfer 20 einen Außenlufteinlaß 26, um durch den Abgasstrom Außenluft in die Expansionskammer 31, 32 einzusaugen. Mit der eingeführten Außenluft wird die Kohlenmonoxid(CO)-Emission in die Umgebung reduziert.

Claims

Schalldämpfer (20) für einen Zweitaktverbrennungsmotor (1), umfassend: eine Expansionskammer (31, 32) mit einem Abgaseinlass (27) zum Einleiten des aus dem Auslasskanal (10) des Motors (1) kommenden Abgasstroms in die Expansionskammer (31, 32); und ein mit einem Raum außerhalb der Expansionskammer (31, 32) verbundenes Außenlufteinführmittel (25, 26; 70; 72, 73; 75, 76; 90, 91, 96) zum Ansaugen von Außenluft und Einführen der Außenluft in den Abgasstrom, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenlufteinführmittel in unmittelbarer Nähe des Abgaseinlasses (27) in die Expansionskammer (31, 32) in Wirkverbindung mit diesem derart angeordnet ist, dass der aus dem Abgaseinlass (27) in die Expansionskammer (31, 32) eintretende Abgasstrom das Außenlufteinführmittel um- oder durchströmt und dabei so ausgebildet ist, dass ein Unterdruck zum Ansaugen der Außenluft erzeugt wird und dem Abgasstrom vor dem Durchströmen der Expansionskammer (31, 32) Außenluft beigemischt wird.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenlufteinführmittel (25, 26) ein Venturirohr (25) mit einer Engstelle (25a) sowie ein Außenlufteinführrohr (26) aufweist, wobei das Venturirohr (25) so angeordnet ist, daß Abgas durch dieses hindurchgeblasen wird, und wobei das Außenlufteinführrohr (26) eine Verbindung zwischen der Engstelle (25a) des Venturirohrs (25) und der Außenseite (Sa) der Expansionskammer (31, 32) bildet.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rußenlufteinführmittel ein Außenlufteinführrohr (70) aufweist, dessen erstes Ende (70a) sich außerhalb der Expansionskammer (31, 32) befindet und dessen zweites Ende (70b) im Verlauf des Abgasstromes angeordnet ist, um am zweiten Ende (70b) durch den Abgasstrom einen Unterdruck zu erzeugen.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein Abgaskühlmittel (65; 66, 67) in der Nähe eines Abgasauslasses (60) zum Abgeben des Abgases aus der Expansionskammer (31, 32) nach außen, wobei das Abgaskühlmittel (65; 66, 67) ausgebildet und angeordnet ist, um durch den auszugebenden Abgasstrom Außenluft in das Abgas zu mischen.
Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch eine Trennplatte (40), welche die Expansionskammer (31, 32) in eine erste Expansionsteilkammer (31) und eine zweite Expansionsteilkammer (32) unterteilt, und durch einen Abgasreiniger (50), der in einem Durchgang (40a) durch die Trennplatte (40) angebracht ist, um Abgas aus dem Auslaß (10) über die erste Expansionsteilkammer (31) durch den Abgasreiniger (50) in die zweite Expansionsteilkammer (32) einzuführen.
Schalldämpfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasreiniger (50) ein Oxidations-Katalysatorelement (50) umfaßt.
Schalldämpfer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasreiniger (50) einen gasdurchlässigen Schaum umfaßt.
Schalldämpfer nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Expansionsteilkammern (31, 32) eine Doppelwandstruktur mit einer Innenwandplatte (41, 42) und einer Außenwandplatte (37, 38) aufweist, wobei die Außenwandplatte (37, 38) mit Abstand von der Innenwandplatte (41, 42) angeordnet ist.