DE2815887C2

DE2815887C2 - Vorrichtung zum Zuführen von Nachbrennluft in das Abgasauslaßsystem einer Sechszylinder-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2815887C2
Application number: DE2815887A
Authority: DE
Inventors: Yasuo Yokohama Takagi; Kenji Fujisawa Yoneda
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1977-04-15
Filing date: 1978-04-12
Publication date: 1984-11-29
Also published as: DE2815887A1; JPS53127921A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuführen von Nachbrennluft in das Abgasauslaßsystem einer Sechszylinder-Brennkraftmaschine mittels AuslaBdruckpulsation, bestehend aus einem mit mindestens einem Zungenelement versehenen Zungenventil, das über eine Zuführleitung mit dem Abgasauslaßventil in Strömungsverbindung steht und über das das Abgasauslaßsystem mit der Atmosphäre verbindbar ist, um Nachbrennluft in das Abgasauslaßsystem einzuführen, wenn das Zungenventil bei Anliegen eines unter dem Atmosphärendruck liegenden Abgasauslaßdrucks in geöffnete Stellung gebracht ist.

Eine Vorrichtung dieser Art, allerdings für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine statt einer Sechszylinder-Maschine, ist durch die DE-OS 21 47 340 bekannt. In dieser Schrift ist über die Eigenfrequenz des oder der Zungenelemente nichts ausgesagt. Diese Eigenfrequenz ist jedoch von Bedeutung, da dann, wenn die Frequenz der AuslaBdruckpulsation nahe der Eigen- oder Resonanzfrequenz des Zungenelements liegt, die Phasendifferenz zwischen dem Öffnungsvorgang des Zungenelements und der AuslaBdruckpulsation ansteigt, wodurch eine Ansprechverzögerung des Zungenventils bedingt ist, so daß bei hohen Motordrehzahlen keine ausreichende Menge an Nachbrennluft zugeführt wird. Daher wirkt der positive Druck der AuslaBdruckpulsation auf das Zungenventil während dessen öffnung, so daß durch das Zungenventil eine Gegenströmung der Abgase in die Atmosphäre erfolgt, weshalb die Menge an in das Abgasauslaßsystem eingeführter Nachbrennluft erheblich abnimmt und die Gefahr besteht, daß das Zungenventil bei den hohen Abgastemperaturen beschädigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der unter Vermeidung von Resonanzschwierigkeiten des Zungenventils eine ausreichende Menge an Nachbrennluft dem Abgasauslaßsystem der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann, um wirksam die nicht verbrannten Bestandteile in den Abgasen bei sämtlichen Betriebsbedingungen, bei denen Nachbrennluft erforderlich ist, zu verbrennen, ohne daß das Zungenvuitil der Gefahr einer Beschädigung ausgesetzt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der angegebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das "Zungenventil eine Eigenfrequenz im Bereich von 190 bis 300 Hz hat

Durch die Wahl des Eigenfrequenzbereichs von 190 bis 300 Hz ergibt sich für das Zungenelement lediglich eine Hitzebelastung von maximal 100⁰C, so daß eine thermische Zerstörung des Zungenelements nicht zu erwarten ist

Wie noch erläutert werden wird, ist das Verlassen des angegebenen Eigenfrequenzbereichs nach oben oder unten mit Nachteilen verknüpft, die sich auf die Zufuhr der Nachbrennluft auswirken, dagegen wird mit einem Zungenventil gemäß der Erfindung die Luftzufuhr bei sämtlichen Betriebsbedingungen, bei denen Nachbrennluft erforderlich ist, nahezu konstant gehalten, so daß stets eine Abgas-Schadstoffverminderung erreicht wird, wobei auch ein störungsfreies Arbeiten des Zungenventils gewährleistet ist.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen e: läutert Es zeigt

Fig.] einen schematischen Querschnitt einer bevorzug ten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Zuführen von Nachbrennluft in das Abgasauslaßsystem einer Sechszylinder-Brennkraftmaschine,

F i g. 2 einen lotrechten Schnitt durch ein in der Vorrichtung von F i g. 1 verwendetes Zungenventil,
F i g. 3 eine schematische Draufsicht auf zwei Zungenelemente des in F i g. 2 gezeigten Ventils,

F i g. 4 ein Kurvenbild über den Zusammenhang zwischen der Temperaturerhöhung im Zungenventil und der Eigenfrequenz des Zungenelements in Abhängigkeit von der Motordrehzahl,

Fig.5 ein Kurvenbild für die Rate an zugeführter Nachbrennluft in Abhängigkeit von der Eigenfrequenz des Zungenelements und der Motordrehzahl.

In Fi g. 1 ist eine Vorrichtung 10 zum Zuführen von Nachbrennluft in Verbindung mit einer Sechszylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschine 12 gezeigt, die einen in üblicher Weise an einem nicht gezeigten Zylinderblock befestigten Zylinderkopf 14 aufweist Im Zylinderkopf 14 sind entsprechend den sechs im Zylinderkopf vorgesehenen Zylindern sechs Verbrennungskammern Ci bis Q ausgebildet. Ein Ansaugkrümmer 16 ist fest an der einen Seite des Zylinderkopfes 14 angebracht und hat sechs nicht näher gekennzeichnete Tangentialkrümmer, die mit den sechs Verbrennungskammern Q bis Q, über im Zylinderkopf 14 ausgebildete Ansaugkanäle 18 verbunden sind. An der angedeuteten Stelle 20 ist ein Vergaser zur Zufuhr eines Luftbrennstoffgemisches in die Verbrennungskammern angeordnet

Ein Abgasauslaßsammler 22 ist fest an der anderen Seite des Zylinderkopfes 14 angebracht und hat drei Tangentialkrümmer 22a, 22b und 22c, die mit jeweils einem der drei gegabelten Auslaßkanäle 23 verbunden sind, jeder gabelförmige Auslaßkanal 23 wird durch Zusammenführen von zwei Auslaßkanalteilen zweier beb5 nachbarter Verbrennungskammern, z. B. Ci und C2, geschaffen, d. h. zwei benachbarten Verbrennungskammern ist ein gabelförmiger Auslaßkanal 23 zugeordnet. Die Krümmer 22a, 22b und 22c stehen daher über die

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gegabelten Auslaßkanäle 23 mit einer ersten Gruppe G ab, so daß ein Austritt von Abgas Ober die in der Boden-

und C₂, mit einer zweiten Gruppe C₃ und Cl und mit platte 38 ausgebildete öffnung 38a verhindert wird. Es

einer dritten Gruppe C₅ und C₆ in Verbindung. Jeder der versteht sich, daß das Zungenelement 466 gemeinsam

Tangentialkrümmer 22a bzw. 226 ist so ausgebildet, daß mit dem Zungenelement 46a bewegt wird.

der Abstand zwischen seinem einen, mit dem Zylinder- 5 Erfinduagsgemäß wird die Eigenfrequenz des Zun-

kopf 14 verbundenen Ende und einem Auslaßsammler- geneltments eines jeden Zungenventils 24, 26, 28 so

bereich, in dem sich diese Krümmer vereinigen, größer gewählt, daß sie in einem Bereich von 190 bis 300 Hz

ist als derjenige für den Krümmer 22c Ferner sind die liegt, um die Wirksamkeit der Nachbrennluft-Zufüh-

Krümmer 22a und 226 so ausgebildet, daß sie eine sanfte rung zu verbessern und eine übermäßige Erwärmung Krümmung haben, daß sie also so gerade wie möglich io des Zungenventils zu vermeiden.

verlaufen. Grundsätzlich erhöht sich die Frequenz der Auslaß-

Die Vorrichtung 10 zur Zufuhr von Nachbrennluft druckpulsation mit der Motordrehzahl und der Zylin-

besteht im vorliegenden Fall aus drei Zungenventilen deranzahl. Das bedeutet, daß die Frequenz bei einem

24, 26 und 28, wobei die Zungenventile 24 bzw. 26 in Sechszylindermotor z. B. l,5mal größer ist als bei einem

Strömungsverbindung mit dem Krümmer 22a nahe dem is Vierzylindermotor bei gleicher Drehzahl Bei mit her- Zylinderkopf 14 über Nachbrennluft-Zufuhrleitungen kömmlichen Zungenventilen ausgestatteten Vorrich-

30 bzw. 32 stehen. Das Zungenventil 28 ist über eine tungen wurde die Resonanzerscheinung am Zungenele-

Nachbrennluft-Zufuhrleitung 34 strömungsseitig mit ment, selbst bei normaler Motorbetriebsbedingung, wo-

dein Auslaßsammler, in dem sich die Krümmer 22a, 226 bei Nachbrennluft erforderlich ist, nicht in Betracht ge-

und 22c vereinigen, verbunden. Jedes Zunginventil ist 20 zogen und daher ein Zungenelement mit geringer Stei-

so angeordnet und ausgelegt, daß es Atmosphärenluft figkeit und einer niedrigen Eigenfrequenz vorgesehen,

als Nachbrennluft in den Auslaßsammler 22 entspre- um die öffnungsweite des Zungenventils zu erhöhen,

chend der in diesem hervorgerufenen Auslaßdruckpul- Die Resonanzerscheinung tritt natürlich dann ein, wenn

sation einführen kann. die Frequenz der Auslaßdruckpulsation nahe bei der

Die F i g. 2 und 3 zeigen den Aufbau eines jeden Zun- 25 Eigenfrequenz des Zungenelements liegt Bei solchen genventils 24,26 und 28 im einzelnen. Jedes Zungenven- herkömmlichen Zungenventiien wird jedoch die Antil weist ein Gehäuse 36 auf, das aus einer Bodenplatte Sprechzeit des Zungenelements erheblich verzögert, so 38 und einer Abdeckung 40 gebildet ist, die durch daß z. B. eine Phasendifferenz von 90° zwischen der Schrauben und Muttern miteinander verbunden sind. Schwingung des Zungenelements und der Auslaßdruck-Die Abdeckung 40 ist mit einem Rohr 40a versehen, das 30 pulsation am Resonanzpunkt vorliegt, bei dem die Fremit der Nachbrennluft-Zufuhrleitung 30,32 oder 34 ver- quenz der Auslaßdruckpulsation die Eigenfrequenz des bunden werden kann. Die Bodenplatte 38 hat eine öff- Zungenelements erreicht, was noch näher erläutert wernung 38a, über die der Innenraum des Gehäuses mit der . den wird. Infolgedessen wird eine Abgasgegenströmung Atmosphäre in Verbindung steht. Ein Basiselement 42 durch das Zungenventil in die Atmosphäre hervorgeruist an der inneren Oberfläche des Gehäuses 36 über ein 35 fen und daher eine unzureichende Menge an Nach-Dichtungsglied 44 befestigt, so daß die Luft nur durch brennluft zugeführt, wodurch das Zungenventil der hoeine im Basiselement 42 ausgebildete öffnung 42a ein- hen Temperatur der Abgase ausgesetzt wird,
strömen kann. Das Basiselement 42 besitzt einen Ventil- Wenn dagegen die konventionellen Zungenventile so sitz 42b aus einem elastomeren Material, der die öff- ausgelegt sind, daß sie nur die genannte Resonanzernung 42a umgibt Die beiden Zungenelemente 46a und 40 scheinung unter normaler Motorbetriebsbedingung 466 sind jeweils an ihrem einen Ende mit der oberen verhindern, muß die Steifigkeit des Zungenelements Fläche des Basiselements 42 über Schrauben 48a bzw. heraufgesetzt werden, um dessen Eigenfrequenz zu er-486 verbunden und so angeordnet, daß ihre (nicht näher höhen. Dies hat zur Folge, daß die Größe der Bewegekennzeichneten) Längsachsen parallel zueinander lic- gung, d. h. die Wegstrecke, des Zungenelements begen. Im gezeigten Fall sind die beiden Zungenelemente 45 irächtlich abnimmt und daher die Öffnungsfläche des 46a, 466 am einen Ende einstückig miteinander verbun- Zungenventils verkleinert wird, wodurch die Zufuhrden. Jedes Zungenelement 46a, 466 ist so ausgebildet menge an Nachbrennluft erheblich verringert wird, und angeordnet daß es auf dem Ventilsitz 42b aufliegen wenn auch eine übermäßige Erwärmung des Zungen- und zwischen dem Ventilsitz 426 sowie einem Anschlag ventils nicht eintritt.

SO Bewegungen ausführen kann. Der Anschlag 50 ist an 50 Diese Schwierigkeiten werden dadurch beseitigt, daß seinem einen Ende am Basiselement 42 mit dem Zun- die Eigenfrequenz des Zungenelements auf den erwähngenelement 46a verbunden, das demzufolge die öffnung ten Bereich von 190 bis 300 Hz eingestellt wird.
42a entsprechend dem Unterschied im Druck zwischen Im folgenden wird auf die Amplitude des Zungeneleder Atmosphäre und der von der inneren Oberfläche ments und die Phasendifferenz zwischen dessen Schwinder Abdeckung 40 abgegrenzten Kammer C freigeben 55 gung sowie der Auslaßdruckpulsation eingegangen. Die oder verschließen kann. Das Zungenelement 466 arbei- Bewegung des Zungenelements kann im Prinzip als tet wie das Zungenelement 46a. Zwangsschwingung betrachtet werden, auf die eine vis-

Wenn bei einem derartig ausgebildeten Zungenventil kose Dämpfung einwirkt, so daß das Zungenelement

der Druck in der Kammer Cgeringer als der Atmosphä- der folgenden Bewegungsgleichung folgt:

rendruck ist, bewegt sich das Zungenelement (in der 60

Zeichnung) nach oben, wodurch eine Verbindung zwi- mX χ ex + kx - Po costyf (1) sehen der Kammer C und der Atmosphäre zustandekommt und daher Nachbrennluft in den Auslaßsammler darin bedeuten
22 über die Leitungen 30, 32 und 34 eingeführt wird.
Wenn dagegen den Druck in der Kammer C höher als 65 m: Masse,
der Atmosphärendruck ist, liegt das Zungenelement 46a c: Dämpfungskoeffizient,
gemäß F i g. 2 auf dem Sitz 426 auf und sperrt die Ver- k: Federkonstante,
bindung zwischen der Kammer C und der Atmosphäre ω: Frequenz der äußeren Kraft (Auslaßdruckpulsa-

tion),
Po: Belastung (Amplitude der äußeren Kraft),

Die Fig.4 zeigt den Zusammenhang zwischen der Eigenfrequenz

und χ -

dx

d/

Aus der Gleichung (1) Folgt:
χ - Xo cos (tut— J)

worin δ die Phasendifferenz zwischen der Schwingung des Zungenventils und der Auslaßdruckpulsation bedeutet.
Daher ist

Amplitude^ -

Qy λ)'

Die Abbiegung des Zungenelements unter der Last Po beträgt:

Xj, - Po/k
das Frequenzverhältnis:

λ — ω/ω^ως,: Eigenfrequenz des Zungenelements) Frequenz der Dämpfung:

γ - C/Q.
kritischer Dämpfungskoeffizient:

des Zungenelements und der Temperaturerhöhung im Zungenventil in Abhängigkeit von der Motordrehzahl. (2) Die in F i g. 4 angegebenen Temperaturen wurden unter allmählicher Erhöhung der Drehzahl bei Vollast an einem Sechszylinder-Reihenhubkolbenmotor mit einem Volumen von 2 I und einem Verdichtungsverhältnis von 8,6 gemessen.
Nach Fig.4 erhöht sich bei einem Zungenelement mi; einer Eigenfrequenz von 150 Hz die Maximaltemperalur auf 220 bis 230⁰C. Bei einem Zungenelement mit einer Eigenfrequenz im erfindungsgemäßen Bereich von 190 bis 300 Hz beträgt jedoch die maximale Temperatur etwa 100°C und liegt damit auf einem Wert, bei dem um Zungenelement keine thermische Schädigung zu erwarten ist. Bei einem Zungenelement mit einer Eigenfrequenz von mehr als 300 Hz steigt dessen Temperatur weniger hoch an, doch wird die Wirksamkeit der Nachbrennluftzufuhr erheblich herabgesetzt, da die Amplitude oder die Bewegungsgröße des Zungenelements, wie die Verbindung mit Fig.5 erläutert wird, abnimmt. Daher eignet sich ein Zungenelement mit einer Eigenfrequenz von mehr als 300 Hz nicht.
Die Fig.5 zeigt den Zusammenhang zwischen der Rate an zugeführter Nachbrennluft und der Eigenfrequenz

2π

Eigenfrequenz des Zungenelements:

Die Amplitude des Zungenelements und die Phasendifferenz zwischen dessen Schwingung sowie der Auslaßdruckpulsation ergeben sich wie folgt:

bei ty—öA) wird/? = 1 und

(die Amplitude nimmt zu, wenn der Koeffizient der viskosen Dämpfung abnimmt)

», Phasendifferenz (5 - 90°.

Daraus folgt, daß trotz Erhöhung der Amplitude des Zungenelements am Resonanzpunkt die Phasendifferenz zwischen der Schwingung des Zungenelements und der Auslaßdruckpulsation ansteigt. Daher tritt am Resonanzpunkt eine Abgasgegenströmung durch das Zungenventil in die Atmosphäre ein. Dies führt zu einer erheblichen Verschlechterung der Nachbrennluftzufuhr und zu einer wärmebedingten Beschädigung des Zungenventils.

des Zungenelements in Abhängigkeit von der Motordrehzahl. Die Nachbrennluftzufuhrrate wurde unter allmählicher Erhöhung der Motordrehzahl bei Vollast am gleichen Motor wie bei Fi g. 4 gemessen, und sie ist ein Wert, der sich aus Ansaugluftmenge + Nachbrennluftmenge/Ansaugluftmenge ergibt.

Aus F i g. 5 geht hervor, daß die Rate an zugeführter Nachbrennluft einen maximalen Wert bei einer niedrigen Eigenfrequenz des Zungenelements annimmt jedoch wurde beispielsweise bei einem Zungenelement mit einer Eigenfrequenz von 150 Hz die Nachbrennlufizufuhrrate bei Motordrehzahlen zwischen 2600 und 2800 U/min, bei denen Nachbrennluft immer noch benötigt wird, erheblich herabgesetzt Das hat seinen Grund darin, daß die Auslaßdruckpulsation nahe am Resonanzpunkt der Eigenfrequenz des Zungenelements liegt Andererseits ist der Maximalwert der Nachbrennluftzufuhrrate bei einem Zungenelement mit einer Eigenfrequenz von 250 Hz geringer als die bei einem Zungenelement mit einer Eigenfrequenz von 150 Hz, jedoch wird die Zufuhrrate an Nachbrennluft selbst bei hohen Motordrehzahlen nicht wesentlich herabgesetzt Dies folgt aus dem Umstand, daß die erfindungsgemäßen Zungenelemente nicht dazu neigen, in Resonanzschwingungen zu verfallen. Durch ein Zungenelement mit dem erfindungsgemäßen Eigenfrequenzbereich kann daher die Zufuhr von Nachbrennluft in nahezu konstantem Verhältnis über den normalen Betriebsbereich des Motors sichergestellt werden, so daß ständig eine Abgas-Schadsioffvcrminderung erzielt wird. Dagegen ist mit einem Zungenelement einer Eigenfrequenz von mehr als 300 Hz eine Verminderung der absoluten Menge an Nachbrennluft verbunden, so daß die erforderliche

Luftmenge häufig nicht zugeführt werden kann. Daraus folgt, daß es besonders wirksam ist, die Eigenfrequenz des Zungenelements in den Bereich von 190 bis 300 Hz zu legen, um die Nachbrennluftzufuhr zu verbessern und störungsfrei zu gewährleisten, da eine thermische Beschädigung des Zungenventils nicht zu erwarten ist. Vorzugsweise wird die Eigenfrequenz des Zungenelements in den Bereich von 190 bis 250 Hz gelegt, um bei niedrigen Motordrehzahlen und während des Motorleerlaufs eine ausreichende Menge an Nachbrennluft zur Verfügung zu haben.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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^I

BS^

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Zuführen von Nachbrennluft in das Abgasauslaßsystem einer Sechszylinder-Brennkraftmaschine mittels AuslaBdruckpulsation, bestehend aus einem mit mindestens einem Zungenelement versehenen Zungenventil, das Ober eine Zuführleitung mit dem Abgasauslaßsystem in Strömungsverbindung steht und Über das das Abgasauslaßsystem mit der Atmosphäre verbindbar ist, um Nachbrennluft in das Abgasauslaßsystcm einzuführen, wenn das Zungenventil bei Anliegen eines unter dem Atmosphärendruck liegenden Abgasauslaßdrucks in geöffnete Stellung gebracht ist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß das Zungenelement (46*; eine Eigenfrequenz im Bereich von 190 bis 300 Hz aufweist

Z Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zungenventil ein Gehluse (36) und ein an der inneren Oberfläche des Gehäuses befestigtes Basiselement (42) aufweist, an dem das Zungenelement mit seinem einen Ende befestigt ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Zungenventil ein weiteres Zungenelement (46a; aufweist, dessen Längsachse parallel zu der Längsachse des ersten Zungenelements (46a) liegt