DE2640035A1

DE2640035A1 - Auspuffvorrichtung fuer verbrennungskraftmaschinen zum absaugen von sekundaerluft

Info

Publication number: DE2640035A1
Application number: DE19762640035
Authority: DE
Inventors: Hiroyasu Kan; Iwao Nakamura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-09-11
Filing date: 1976-09-06
Publication date: 1977-03-17
Also published as: JPS5614849B2; JPS5234120A; US4149378A; DE2640035C3; DE2640035B2; GB1531045A

Description

Auspuffvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen zum Ansaugen von Sekundärluft

Die Erfindung betrifft eine Auspuffvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen mit einer zugeordneten Vorrichtung zum Ansaugen von Sekundärluft zu den Verbrennungsgasen aus der Atmosphäre und zwar unter Ausnutzung des pulsierenden Auspuffgasdruckes.

Bei Verbrennungskraftmaschinen ist es bekannt, Sekundärluft den Verbrennungsgasen zuzuführen, um hierdurch unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxyd aus dem Auspuffgas durch Nachverbrennung oder Oxydation zu beseitigen. Unter den für diese Zwecke vorgesehenen verschiedenartigsten Einrichtungen ist auch schon eine Vorrichtung bekannt, welche die Pulsation des Auspuffgasdruckes in der Auspuffleitung als wesentlichste Maßnahme zum Ansaugen der Luft in die Auspuffleitung aus der Atmosphäre ausnutzt. Fig. 1 zeigt im Schnitt eine bekannt Vorrichtung dieser Art. Hierbei wird die Verbindung der Verbrennungskammer 10 der Verbrennungskraftmaschine mit dem Auspuffgas-Auslaß 14 in

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ORSGJNAL INSPECTED

bekannter Weise durch ein Auslaßventil 12 gesteuert. Der Aus-· laß 14 ist mit einem Auspuffstutzen 16 verbunden. Der Kreis zum Zuführen von Sekundärluft umfaßt eine Luftleitung 18, die in den Auslaß 14 mündet (oder alternativ in den Auspuffstutzen 16), sowie ein Absperrventil 20, beispielsweise ein geeignetes Zufuhrventil, das die Zufuhr von Luft in die Leitung 18 aus der Atmosphäre steuert. Im Auslaß 14 entsteht wechselweise ein positiver -und negativer Druck, je nachdem, ob das Auslaßventil 12 offen oder geschlossen ist. Das Ventil 20 bleibt geschlossen und verhindert, daß Auspuffgas durch die Leitung 18 ausgegeben wird, solange ein positiver Druck im Auslaß 14 herrscht, erlaubt jedoch das Ansaugen von atmosphärischer Luft in den Auslaß 14, wenn ein negativer Druck im Auslaß 14 entsteht.

Dieser Kreis zur Zufuhr von Sekundärluft besitzt den Vorteil, daß keine zusätzliche Luftpumpe nötig ist. Die Menge von zugeführter Sekundärluft ist hier jedoch nicht genügend groß, wenn der im Auslaß 14 erzeugte negative Druck nicht genügend groß ist. Die Größe dieses negativen Druckes hängt ab von der Größe der Änderung des Auspuffgasdruckes im Auslaß 14, also der Differenz zwischen dem Spitzenwert eines positiven Druckes und dem Spitzenwert eines negativen Druckes in der Auspuffleitung der Maschine. Die Größe dieser Änderung des Auspuffgasdruckes hängt natürlich auch ab von der Drehzahl der Maschine. Bei üblichen Auspuffleitungen von Verbrennungskraftmaschinen ist die Größe dieser Änderung des Auspuffgasdruckes nicht immer groß genug, um Sekundärluft in der gewünschten Menge anzusaugen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Auspuffvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen zu schaffen, die eine wesentliche Vergrößerung der zuführbaren Sekundärluftmenge ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Auspuffvorrichtung It. Oberbegriff des Patentanspruches dadurch gelöst, daß der innere

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Querschnitt des vorderen Rohrstückes kleiner als der innere Querschnitt des mittleren Rohrstückes gewählt wird.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird erreicht, daß die Ände rung des Auspuffgasdruckes in der Auspuffleitung wesentlich verstärkt wird und zwar mit sehr einfachen Mitteln. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß die Größe der Druckänderung in der Auspuffleitung wesentlich abhängt von der Schwingungscharakteristik der Auspuffleitung und damit von der Konstruktion dieser Auspuffleitung. Es wurde festgestellt, daß die Menge von Sekundärluft, die mit einer oben beschriebenen Vorrichtung zugeführt werden kann, durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wesentlich erhöht werden kann. Die erfindungsgemäß gewählte Beziehung zwischen dem Querschnitt des vorderen und mittleren Rohrstückes bei einer üblichen Auspuffanlage ist konträr zu den bisher angewendeten Querschnittsverhältnissen. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird erstmals eine Vibrationscharakteristik erreicht, die von derjenigen üblicher Auspuffanlagen wesentlich verschieden ist und mit der es möglich ist, in der Auspuffleitung eine genügend große Druckänderung zu erreichen, selbst wenn die Maschinendrehzahl mit einer Antiresonanzfrequenz der Gassäule in der Auspuffleitung bezüglich der Pulsation des Auspuffdruckes übereinstimmt. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Aüsführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Auspuffvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine;

Fig. 3 zeigt anhand eines Diagramms die dabei auftretenden Temperaturen und Drücke;

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Fig. 4a und 4b zeigen verzweigte Auspuffvorrxchtungen und

Fig. 5 zeigt anhand eines Diagramms die Änderung der Größe der Druckänderung in der Auspuffleitung nach Fig. 2 in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl und zwar für eine bekannte Auspuffleitung und eine solche nach der Erfindung.

Eine erfindungsgemäß verbesserte Auspuffleitung füreine Verbrennungskraftmaschine, die in Strömungsrichtung nach dem Auslaß 14 angeschlossen ist, besitzt allgemein einen Aufbau nach Fig. 2. Hierbei ist ein vorderes Rohrstück 22 mit dem Auslaßstutzen 16 der Maschine verbunden und stellt die Verbindung zum Einlaß eines Reaktortopfes 24 her, der beispielsweise einen Katalysator¹ zur Oxydation von Kohlenwasserstoffen und kohlenmonoxyd enthalten kann. Dieser Reaktor 24 kann auch durch einen Schalldämpfer ersetzt sein. Ein anschließendes mittleres Rohrstück 26 verbindet den Auslaß des Reaktors 24 mit dem Einlaß eines Haupt-Auspufftopfes 28 und ein hinteres Rohrstück 30 gibt die Auspuffgase vom Hauptauspufftopf 28 zur Atmosphäre ab.

Das Auspuffgas erzeugt ein Temperaturprofil in der Auspuffleitung nach Fig. 2, wie es durch die Kurve T in Fig. 3 dargestellt ist. Hierbei bedeuten die Bezugszeichen 22, 24, 26, 28 und 30 auf der Abszisse jeweils den Eingang des vorderen Rohrstücks 22, den Reaktor 24, den Eingang zum mittleren Rohrstück 26, den Eingang zum Haupt-Auspufftopf 28 und den Ausgang des hinteren Rohrstücks 30. Die Auspuffgastemperatur in der Auspuffleitung ist im Auslaß 14 am höchsten und nimmt allmählich ab, wenn das Auspuffgas durch die Auspuffleitung hindurchtritt. Da das Volumen des Auspuffgases mit der Abnahme der Temperatur abnimmt, besitzt der Rückstau (als Mittelwert der momentanen Auspuffgasdruckänderung) in der Auspuffleitung ein Profil wie es durch die Kurve P in Fig. 3 für einen bestimmten Querschnitt der Auspuff-

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leitung dargestellt ist. Da der Anstieg des Rückstaus bzw. des Auspuffwiderstandes sich ungünstig auf die Ausgangsleistung der Maschine auswirkt, ist es bei den üblichen Auspuffleitungen Gesetz, daß das vordere Rohrstück 22 einen inneren Querschnitt besitzt, der größer ist als der innere Querschnitt des mittleren Rohrstückes 26, und daß außerdem das hintere Rohrstück 30 einen kleineren inneren Querschnitt besitzt als das mittlere Rohrstück 26.

Die Vibrationscharakteristik einer Gassäule in einer Auspuffleitung hängt ab von der Konstruktion dieser Auspuffleitunq. Die Vibration der Gassäule besitzt bezüglich der oben erwähnten Pulsation des Auspuffdruckes bei bestimmten Frequenzen Resonanzen. Sowohl die Resonanzfrequenzen, bei welchen die Größe der Druckänderung maximal wird, also auch die Antiresonanzfrequenzen, bei welchen die Größe der Druckänderungen minimal wird, sind für eine bestimmte Auspuffleitungs-Konstruktion festgelegt.

Die Frequenz der Änderung des Auspuffgasdruckes ist proportional zur Anzahl der Umdrehungen der Maschine pro Sekunde (der Proportionalitätsfaktor ist für Viertakt-Vierzylinder-Maschinen 2 und für Viertakt-Sechszylinder-Maschinen 3). Wenn die ■ Antiresonanz der Gassäulenvibration zu der Pulsation des Auspuffgasdruckes in einem Frequenzbereich auftritt, das der häufigsten mittleren Drehzahl einer Maschine entspricht (beispielsweise in einem Frequenzbereich zwischen 50 und 100 Hz entsprechend einer Maschinendrehzahl zwischen 1.500 und 3.000 Umdrehungen/Minute für eine Viertakt-Vierzylinder-Maschine), ist die dem Verbrennungsgas durch die Vorrichtung nach Fig. 1 zugeführte Sekundärluftmenge in der Nähe bestimmter Maschinendrehzahlen, bei welchen Antiresonanz auftritt,* ungenügend.

Es ist im Prinzip möglich, das Auftreten dieser Antiresonanzen innerhalb eines normalen oder mittleren Drehzahlbereiches durch

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geeignete Wahl des Abstandes zwischen dem Reaktor 24 und dem Haupt-Auspufftopf 28, welche im einzelnen als Reflektor für die Pulsationswelle aus dem Auslaß 14 wirken, zu vermeiden. Es ist pdoch in der Praxis meist unmöglich, die Lage des Reaktors 24 und des Hauptauspufftopfes 28 in diesem Sinn optimal zu wählen, da diese beiden Bauteile relativ großvolumig sind und daher so angeordnet sein müssen, daß sie anderen Anforderungen an die Gesamtkonstruktion des Fahrzeuges genügen.

Selbst wenn die Antiresonanz innerhalb eines mittleren Drehzahlbereiches nicht auftritt, so. ist die durch die Vorrichtung mittels der Pulsation des Auspuf'fgasdruckes zugeführten Sekundärluftmenge ziemlich ungenügend.

Gemäß der Erfindung wird weder die allgemeine Konstruktion einer Auspuffanlage nach Fig. 2 noch die entsprechenden Längen der vorderen Rohrstücke 22 und des mittleren Rohrstückes 26 (d.h. der Abstand des Reaktors 24 und des Haupt-Auspufftopfes 28 vom Auslaß 14) geändert. Dafür wird die Auspuffanlage so geändert, daß das innere Querschnittsprofil völlig verschieden ist von demjenigen konventioneller Auspuffanlagen, um hierdurch die Charakteristik der Gassäulenvibration in der Auspuffleitung zu ändern. Im Gegensatz zu den Gesetzen für den Aufbau üblicher Auspuffleitungen wird der innere Querschnitt des vorderen Rohrstückes 22 kleiner gewählt als der innere Querschnitt desmittleren Rohrstückes 26. Wenn das vordere Rohrstück 22 und/oder das mittlere Rohrstück 26 als Verzweigungen ausgebildet sind oder beispielsweise aus zwei parallelen Rohrstücken nach den Fig. 4a und 4b bestehen, gilt diese Bemessung für den Querschnitt sowohl des vorderen Rohrstückes 22 als auch für das mittlere Rohrstück 26 für den Gesamtquerschnitt der inneren Querschnitte jedes der Zweige bzw. der parallelen Rohrstücke.

Die Kurve 1 nach Fig. 5 zeigt den Zusammenhang zwischen der Größe der Änderung des Auspuffgasdruckes in der Auspuffleitung

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nach Fig. 2 und der Maschinendrehzahl, wobei der innere Querschnitt des vorderen Rohrstücks 22 größer gewählt ist als der innere Querschnitt des mittleren Rohrstücks 26. Es ergeben sich Resonanzstellen bei X und Y und es wird eine Antiresonanzstel-Ie bei Z zwischen diesen beiden Resonanzfrequenzen X und Y festgestellt. Wenn das vordere Rohrstück 22 und das mittlere Rohrstück 26 durch unterschiedlich dicke Rohre ersetzt werden, um den inneren Querschnitt des vorderen Rohrstücks 22 kleiner als den inneren Querschnitt des mittleren Rohrstücks 26 zu machen ohne, die Länge der Rohrstücke dabei zu ändern, erhalt man einen Zusammenhang zwischen der Größe der Druckänderung und der Maschinendrehzahl, wie dies durch die Kurve II dargestellt ist. In diesem Fall treten Resonanzen bei X' und Y' und eine Antiresonanz bei Z' auf. Die Kurve II unterscheidet sich von der Kurve I dadurch, daß der Unterschied zwischen den beiden Resonanzfrequenzen X· und Y' merklich geringer ist als der Unterschied zwischen den Resonanzfrequenzen X und Y der Kurve I und daß die Größe der Pulsation am Antiresonanzpunkt Z' wesentlich größer ist als an der Antiresonanzstelle Z der Kurve I. Auch die Größe der Pulsation der Kurve II bei Maschinendrehzahlen in Umgebung der Resonanzfrequenzen X^f und Y¹ ist wesentlich größer als diejenige der Kurve I im Bereich der Resonanzfrequenzen X und Y.

Es wurde experimentell bestätigt, daß die unteren (X oder X·) der beiden Resonanzfrequenzen X und Y (oder X¹ bzw. Y¹ ) hauptsächlich bestimmt ist durch die Vibration der Gassäule im mittleren Rohrstück 26, wobei der Haupt-Auspufftopf 28 als Feder in diesem Vibrationssystem wirkt, während die andere (höhere) Resonanzfrequenz Y bzw. Y¹ im wesentlichen bestimmt ist durch die Vibration der Gassäule in dem vorderen Rohrstück 22 mit dem Reaktor 24 als Federelement. Wenn der innere Querschnitt des vorderen Rohrstücks 22 kleiner gewählt wird, wird die Inertanz (die der Massenträgheit entspricht) für die Gassäule in dem vorderen Rohrstück 22 kleiner und dadurch auch die Resonanz-

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frequenz geringer Cvon Y auf Y¹)· Durch Vergrößerung des inneren Querschnitts des mittleren Rohrstücks 26 wird die Inertanz der Gassäule in dem mittleren Rohrstück 26 kleiner, wodurch
die Resonanzfrequenz erhöht wird (von X auf X·). Eine günstige geringe Differenz zwischen den beiden Resonanzfrequenzen X' und Y¹ kann nicht nur durch gleichzeitige Verringerung des inneren Querschnitts des vorderen Rohrstücks 22 und Vergrößerung des
inneren Querschnitts des mittleren Rohrstücks 26 bei üblichen
Auspuffleitungen erreicht werden, sondern auch durch Änderung
des Querschnittes entweder des vorderen Rohrstückes 22 und des mittleren Rohrstückes 26, solange der innere Querschnitt des
vorderen Rohrstücks 22 vergleichsweise geringer ist als derjenige des mittleren Rohrstücks 26.

Experimente haben gezeigt, daß die Größe der Pulsation in Umgebung dar Resenanafrequanaen X und Y nicht so befriedigend
verbessert werden kann wie dies durch die Kurve II dargestellt ist, wenn das vordere Rohrstück 22 und das mittlere Rohrstück
26 mit gleichem inneren Querschnitt gewählt werden. Es ist nötig, den inneren Querschnitt des vorderen Rohrstücks 22 kleiner als denjenigen des mittleren Rohrstücks 26 zu machen, um eine
günstige Vibrationscharakteristik zu erreichen, wie sie in
Kurve II dargestellt ist.

Wenn der innere Querschnitt des vorderen Rohrstücks 22 kleiner gewählt ist als derjenige des mittleren Rohrstücks 26, so wird

um
der Auspuffwiderstand/einen gewissen Betrag erhöht und es wird erreicht, daß eine größere Menge von Auspuffgasen unaasgestoßen in der Verbrennungskammer 10 verbleibt. Eine derartige Erhöhung des Rückstaudruckes ist jedoch nicht sehr nachteilig auf die
Betriebsweise der Maschine sondern ist sogar günstig für die
Unterdrückung der Ausbildung von Stickstoffoxyden in der Verbrennungskammer Io, was die Tatsache beweist, daß in vielen
üblichen Verbrennungskraftmaschinen zur Herabsetzung der Stickstoffoxydkonzentration im Auspuffgas ein Teil des Auspuffgases wieder der Verbrennungskammer 10 zurückgeführt wird·

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Gemäß der Erfindung wird die Größe der Pulsation des Auspuffgasdruckes wesentlich erhöht und es wird damit möglich, eine einfache .Vorrichtung nach Fig. 1 zur Zufuhr einer vergrößerten Menge von Sekundärluft zu den Auspuffgasen zu verwenden nur durch Änderung der Auspuffanlage, was sehr einfach durchführbar ist.

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Claims

8UOC München βϋ Mühldorf straße

Jt\ Telefon (089) 496872

Telegramme patemus mOnchen Postscheck München 394 18-802

Patentanwalt Dr.-Ing. R. Liesegang

NISSAN MOTOR COMPANY

p 098 11

Patentanspruch

Auspuffvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen mit einem an den Maschinenauslaß angeschlossenen vorderen Rohrstück, einem anschließenden ersten Auspufftopf insbesondere zum Oxydieren der im Auspuffgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxyde, einem darauf folgenden mittleren Rohrstück zum Verbinden des ersten Auspufftopfes mit dem anschließenden Haupt-Auspufftopf sowie mit einer Vorrichtung zum Ansaugen von Sekundärluft aus der Atmosphäre in den vor dem ersten Auspufftopf liegenden Auspuffleitungsabschnitt unter Ausnutzung der Druckänderungen des Auspuffgases, dadurch gekennzeichnet , daß der innere Querschnitt des vorderen Rohrstückes (22) kleiner als der innere Querschnitt des mittleren Rohrstückes (26) gewählt ist.

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