DE19853359A1 - Verbrennungsmotor mit Abgasschalldämpfer und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Abstract

Ein Abgasschalldämpfer, der unterschiedliche Geometrien aufweist, die durch Schaltorgane in Abhängigkeit von Motordaten schaltbar sind, ist einem Verbrennungsmotor zugeordnet. Die beim Betrieb mit unterschiedlichen Taktverfahren auftretenden Auspuffgeräusche werden dadurch unterdrückt, daß die unterschiedlichen Geometrien des Abgasschalldämpfers zumindest auf die unterschiedlichen Taktverfahren des Verbrennungsmotors abgestimmt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit Abgas­ schalldämpfer, insbesondere nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Verbrennungsmotors mit Abgasschalldämpfer der im Ober­ begriff des Anspruchs 8 angegebenen Gattung.

In der DE 297 15 756 U2 ist ein schaltbarer Abgasschall­ dämpfer beschrieben, bei dem in Abhängigkeit vom Betriebs­ zustand des Verbrennungsmotors (zum Beispiel. Drehzahl, Tem­ peratur, Last) Schaltorgane betätigt werden. Dadurch kann der Abgasstrom für unterschiedliche Betriebspunkte auf optimale Strömungsgeschwindigkeiten und Reflexions­ charakteristiken eingestellt werden.

Ein Nachteil dieser Lösung liegt darin, daß bestimmten Be­ triebszuständen des Verbrennungsmotors nicht Rechnung ge­ tragen wird. Es sind Verbrennungsmotoren bekannt, die mit Hilfe von variabler Ventilsteuerung neben einer drosse­ lungsfreien Leistungsregelung auch unterschiedliche Takt­ verfahren verwirklichen können, um dadurch zu einer Kraft­ stoffverbrauchs- und Schadstoffsenkung zu gelangen. Beim Umschalten des Taktverfahrens entstehen bei Abgasschall­ dämpfern des genannten Standes der Technik ungedämpfte Schwingungen in der Abgassäule, die unzumutbar laute Abgas­ geräusche verursachen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit Abgasschalldämpfer zu schaffen, der auch beim Betrieb mit wechselnden Taktverfahren optimale Schalldämpfung erreicht, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Verbrennungsmotors einschließlich des Abgas­ schalldämpfers anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor mit Abgas­ schalldämpfer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Da der Abgasschalldämpfer eine auf die verschiedenen Takt­ verfahren abgestimmte und durch Betätigungsorgane schalt­ bare Geometrie aufweist, ist er für alle Taktzahlen akustisch gut angepaßt. Dadurch werden ungedämpfte Schwin­ gungen der Abgassäule vermieden, die andernfalls zu unzu­ mutbar hohen Abgasgeräuschen führen würden. Zusätzlich ist auch eine variierbare Abstimmung des Abgasschalldämpfers für unterschiedliche Lasten und Drehzahlen möglich. Durch die Beeinflussung der Schwingungen im Auspuff läßt sich u. a. das Vollastverhalten verbessern.

Durch die Abstimmung des Abgasschalldämpfers mittels Varia­ tion von dessen Volumina und/oder Strömungsquerschnitten und/oder Rohrlängen steht eine Vielzahl von Optimierungs­ parametern zur Verfügung, die neben den akustischen Forde­ rungen auch eine flexible Anpassung des Abgasschalldämpfers an konstruktive und räumliche Wünsche des Einbaus ermög­ licht. Die Berechnung des Abgasschalldämpfers erfolgt nach der akustischen Theorie (zum Beispiel Helmholtz-Resonator).

Ein bei modernen Motoren ohnedies vorhandenes elektro­ nisches Steuergerät kann die relativ einfache Zusatzfunk­ tion des synchronen Steuerns von Gaswechselventilen und Steuerorganen des Abgasschalldämpfers übernehmen. Dazu die­ nen unter anderem besondere Kennfelder, die das funktions­ gerechte Ansteuern der Schaltorgane bewirken.

Eine vorteilhafte Methode zur Variation der Taktzahl ist eine variable Ventilsteuerung über elektromagnetisch be­ tätigte Gaswechselventile. Diese bieten den Vorteil einer raschen und stufenlosen Verstellung der Steuerzeiten. Da­ durch können neben der Variation der Taktzahl auch eine drosselfreie Motorregelung und eine stufenlose Regelung der Verdichtung verwirklicht werden.

Als Schaltorgane für die schaltbare Abgasanlage kommen Schaltklappen, Schaltventile und Schaltschieber in Frage, deren Auswahl zur flexiblen Lösung der Probleme der Abstim­ mung des Abgasschalldämpfers beiträgt.

Von Vorteil ist die Anordnung des schaltbaren Abgasschall­ dämpfers in Strömungsrichtung hinter den Abgasnachbehand­ lungsanlagen. Bei letzteren kann es sich um Rußfilter und/oder Katalysatoren handeln, da die verbrauchs- und schadstoffmindernde Wirkung einer Vergrößerung der Taktzahl sich zwar besonders bei Otto-, aber auch bei Dieselmotoren bemerkbar macht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Verbrennungsmotor mit Abgasschalldämpfer, dessen Volumen variabel ist,

Fig. 2 den Verbrennungsmotor nach Fig. 1, mit Abgasschall­ dämpfer, dessen Abgasleitung eine variierbare Länge aufweist,

Fig. 3 den Verbrennungsmotor nach Fig. 1, mit Abgasschall­ dämpfer, dessen Abgasleitung einen variierbaren Querschnitt aufweist.

In Fig. 1 ist ein vierzylindriger Verbrennungsmotor 2 mit einem Abgassammelrohr 2 dargestellt, das die Abgasströme der einzelnen Zylinder zusammenführt. An das Abgassammel­ rohr 2 schließt sich ein Abgasrohr 3 an, das zu einem Kata­ lysator 4 führt. Im Abgasrohr 3 kann sich eine Lambda-Sonde 5 zur Überwachung der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft- Gemischs in dem Verbrennungsmotor 2 befinden. Die Lambda- Sonde 5 kann dabei in Strömungsrichtung des Abgases vor oder auch, wie strichliert dargestellt, hinter dem Kataly­ sator 4 im Abgasleitungsabschnitt 7 angeordnet sein.

In Strömungsrichtung hinter dem Katalysator 4 ist ein Ab­ gasschalldämpfer 6 angeordnet, der über eine Abgasleitung 7 mit dem Katalysator 4 verbunden ist.

Hinter dem Abgasschalldämpfer 6 ist ein Auspuffrohr 8 vor­ gesehen, durch das die Abgase ins Freie entweichen.

Der Abgasschalldämpfer 6 weist ein erstes Volumen 9 und ein zweites Volumen 10 auf, die durch eine Öffnung 11 verbunden sind. Die Öffnung ist durch ein Schaltorgan, z. B. eine Schaltkappe 12, verschließbar. Diese ist von einem elektronischen Steuergerät 13 steuerbar, das auch die Ge­ mischbildung über die Lambda-Sonde 5 und das Taktverfahren des Verbrennungsmotors 1 steuert. In dem Steuergerät 13 sind Kennfelder über Last, Drehzahl und Taktverfahren implementiert, auf deren Grundlage die Schaltklappen je nach Bedarf und ausgewähltem Taktverfahren angesteuert bzw. geschaltet werden. Zum Antrieb der Schaltklappe 12 sind vorzugsweise elektromechanische Stellelemente vorgesehen.

Das Taktverfahren wird über eine variierbare Betätigung der Gaswechselventile gesteuert. Dies kann über schaltbare Schlepp- oder Kipphebel erfolgen. Besonders schnell und flexibel arbeitet die elektromagnetische Ventilsteuerung (EMVS), mit der dis Steuerzeiten der Gaswechselventile von Arbeitszyklus zu Arbeitszyklus variiert werden können.

In Fig. 2 ist der gleiche Verbrennungsmotor 1 mit nachge­ schaltetem Katalysator 4 und Abgasschalldämpfer 6 darge­ stellt. Der Unterschied zu Fig. 1 liegt in der Abgasleitung 7, die als längenvariable Abgasleitung 14 mit zwei unter­ schiedlich langen Leitungszweigen 15, 15' ausgebildet ist. In jedem Leitungszweig 15, 15' befindet sich eine Schalt­ klappe 16, 16', die vorzugsweise gleichzeitig ansteuerbar bzw. betätigbar sind. Diese Schaltklappen werden wechsel­ seitig geöffnet und geschlossen, und zwar in Abhängigkeit von Steuersignalen des elektronischen Steuergerätes 13, welches mit den Schaltklappenantrieben verbunden ist.

Fig. 3 zeigt den gleichen Verbrennungsmotor 1 wie Fig. 1 und 2, jedoch mit einer querschnittsvariablen Abgasleitung 17. In dieser ist ein konzentrisches Innenrohr 18 mit einer anderen Schaltklappe 19 angeordnet, die dasselbe schließen kann und damit den Durchtrittsquerschnitt der querschnitts­ variablen Abgasleitung 17 verringert. Auch diese Schalt­ klappe 19 wird von dem elektronischen Steuergerät 13 ge­ steuert.

Die erfindungsgemäße Anordnung funktioniert folgendermaßen: Der Verbrennungsmotor 1 soll im Ausführungsbeispiel als Zweitaktmotor ausgebildet sein. Er kann als Otto-Motor ar­ beiten, wie oben beschrieben. Die Erfindung ist aber auch bei Dieselmotoren anwendbar. Dabei ist unter Umständen an­ stelle des Katalysators 4 oder diesem vorgeschaltet ein Partikelfilter vorgesehen. Die Ausbildung des Abgasschall­ dämpfers 6 ist bei beiden Motorarten gleich.

Im höheren Lastbereich arbeitet der Verbrennungsmotor 1 im Zweitakt. Mit abnehmender Last verringert sich der ther­ mische Wirkungsgrad. Werden bei geringerer Last Arbeits­ takte durch entsprechende Ansteuerung der Gaswechselventile ausgeblendet, so steigen die Last und damit der thermische Wirkungsgrad der verbleibenden Arbeitstakte. Mit abnehmen­ der Last kann der Verbrennungsmotor zuerst im Viertakt, dann im Sechstakt, Achttakt usw. betrieben werden. Dadurch wird die Last der verbleibenden Arbeitstakte möglichst hoch gehalten. Durch die im Vergleich zum Zweitaktbetrieb mit steigender Taktzahl wachsenden Abstände der einzelnen Aus­ puffstöße tritt eine deutliche Verstimmung des Abgasschall­ dämpfers 6 ein. Die dadurch auftretenden hohen Auspuff­ geräusche werden durch die synchron mit der Taktverstellung betätigten Schaltklappen 12, 16, 16', 19 bekämpft. Diese bewirken einzeln oder in Kombination betätigt eine Neuab­ stimmung des Abgasschalldämpfers 6, die zu der gewünschten Geräuschabsenkung führt. Die dabei entstehende Pulsation der Abgasströmung verbessert die Spülung des Brennraums und damit den Wirkungsgrad des Motors, wobei auch die Abgas­ emission gesenkt wird.

Selbstverständlich sind auch verschiedene Kombinationen der oben ausgeführten Verfahren möglich.

Claims (8)

1. Verbrennungsmotor mit Abgasschalldämpfer, der unter­ schiedliche Geometrien aufweist, die durch Schaltorgane in Abhängigkeit von Motordaten schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (1) in unterschiedlichen Taktverfahren (zum Beispiel Zwei­ takt, Viertakt, Sechstakt oder Zwölftakt) betreibbar ist und daß die unterschiedlichen Geometrien des Abgas­ schalldämpfers (6) zumindest auf die unterschiedlichen Taktverfahren abgestimmt sind.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß die taktspezifische Ab­ stimmung des Abgasschalldämpfers (6) vorzugsweise durch Variation von dessen Volumina und/oder Strömungsquer­ schnitten und/oder Rohrlängen erfolgt.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronisches Steuer­ gerät (23) vorgesehen ist, das unter anderem zur Steue­ rung der Taktzahl des Verbrennungsmotors (1) über die Steuerorgane (Ventile) des Motors und der Steuerorgane des Abgasschalldämpfers (6) dient.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Steuer­ gerät (13) Kennfelder für Last, Drehzahl und Taktver­ fahren des Verbrennungsmotors (1) aufweist, mit deren Hilfe die Schaltorgane funktionsgerecht ansteuerbar sind.

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die variablen Taktverfahren durch eine variable Ventilsteuerung, vorzugsweise durch elektromagnetisch betätigbare Gaswechselventile, reali­ sierbar sind.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltorgane beispiels­ weise als Schaltklappen, Schaltventile oder Schalt­ schieber ausgebildet sind.

7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der variierbare Abgas­ schalldämpfer (6) in Strömungsrichtung gesehen nach den Abgasnachbehandlungsanlagen (Katalysator, Rußfilter) angeordnet ist.

8. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem unterschiedliche Geometrien aufweisenden Abgas­ schalldämpfer, wobei die unterschiedlichen Geometrien durch Schaltorgane in Abhängigkeit von Motordaten ein­ gestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (1) in unterschiedlichen Taktverfahren (zum Beispiel Zwei­ takt, Viertakt, Sechstakt oder Zwölftakt) betrieben wird und die dem jeweiligen Taktverfahren entsprechende Einstellung der Schaltorgane (12, 16, 16', 19) erfolgt und damit die für das aktuelle Taktverfahren geeignete Geometrie des Abgasschalldämpfers (6) eingestellt wird.