DE29721372U1

DE29721372U1 - Abgassammelleitung für eine Brennkraftmaschine

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Publication number: DE29721372U1
Application number: DE29721372U
Authority: DE
Original assignee: Chrysler Corp
Current assignee: Old Carco LLC
Priority date: 1996-12-23
Filing date: 1997-12-03
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2007-12-04
Also published as: US5860278A; CA2224044A1

Description

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgassammelleitung für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und Brennkammern sowie mindestens einem Auslaßventil für jede Brennkammer.

Im Stand der Technik sind zahlreiche Abgassammelleitungen bekannt. So offenbart beispielsweise die US-A-2,230,666 eine Abgassammelleitung mit mehreren seitlich beabstandeten Abgasrohren, die mit den Zylindern der zugehörigen Brennkraftmaschine verbunden sind und die in einem divergierenden Hauptabgasrohr münden, um einen verringerten Rückdruck zu erzeugen und dadurch die Leistung der Brennkraftmaschine zu erhöhen. Die US-A-4,288,988 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dämpfen von Druckschwankungen in der Abgassammelleitung einer zugehörigen Brennkraftmaschine durch Drosseln der Abgase in .. der Nähe des Auslasses jedes Zylinders und durch Beschleunigen der Strömung in der Abgassammelleitung durch Verwendung eines gleichförmigen Strömungsquerschnittes, der erheblich kleiner als die Zylinderbohrung ist.

Wenngleich diese und andere vorbekannten Abgassammelleitungen für eine &ldquor;Steuerung" der Strömung der Abgase sorgen, erfüllen sie jedoch nicht die extrem hohen Anforderungen an kompakt bauende Abgassammelleitungen und eine effektive Funktionsweise derselben, die charakterisiert ist durch eine geringe thermische Trägheit, welche erforderlich ist, um einen stromab angeordneten katalytischen Konverter frühzeitig zu zünden, wie dies heutzutage bei modernen Kraftfahrzeugen erforderlich ist. Außerdem sind bei der zunehmenden Enge des Motorraums, wie dies bei praktisch allen modernen Kraftfahrzeugen anzutreffen ist, diese vorbekannten Lösungen wegen ihres umfangreichen Platzbedarfes nicht geeignet.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Abgassammelleitung geschaffen werden, die sich problemlos in beengtem Motorraum unterbringen läßt, während sie für einen verringerten Druckabfall, eine verringerte Abgas-Verweilzeit in der Sammelleitung und eine geringe Wärmeübertragung sorgt. Darüber hinaus soll die Er-

findung fur ein verbessertes Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine, eine frühzeitige Zündung eines katalytischen Konverters sowie eine verringerte Wärmeübertragung von der Sammelleitung zum Motorraum sorgen.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Abgassammelleitung wird die Abgasströmung effektiv geführt durch die beanspruchte Konfiguration der Sammelleitung, bei der Diffusor- und Düsenabschnitte an jedem Einlaß der Abgassammelleitung vorgesehen sind. Die Führung bzw. Leitung der Abgase erfolgt somit auf kleinstem Raum, wobei der Druckabfall in der Sammelleitung niedrig ist und der Rückdruck verringert wird. Im Ergebnis ergibt sich eine kleinere Abgassammelleitung verringerter Masse und niedriger thermischer Trägheit.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Abgassammelleitung werden die aus einer Brennkammer in den zugehörigen Einlaß der Sammelleitung strömenden Gase einer besonderen Behandlung unterzogen. Die Strömung wird durch einen sich erweiternden Kanalabschnitt bei gleichzeitiger Strömungsumlenkung einer Diffüsorwirkung ausgesetzt; anschließend bewirkt ein einen Düsenabschnitt bildender konvergierender Kanalabschnitt eine Beschleunigung der Strömung, die somit den in Strömungsrichtung nächsten Einlaß der Sammelleitung gewissermaßen überspringt. Der Gesamtdruckabfall in der Abgassammelleitung wird auf diese Weise minimiert. Vorzugsweise erfolgt die &ldquor;Diffusion" der Abgase in dem späteren Abschnitt des Abgaskanals des Zylinderkopfes. Wichtig ist, daß der Diffusorvorgang sich in einem expandierenden Profil des Sammelleitungseinlasses bzw. Diffusorabschnittes für jede Brennkammer fortsetzt. In einem Diffusorabschnitt wird die kinetische Energie der Abgase in einen höheren Druck, jedoch eine verringerte Geschwindigkeit an einer Stelle in der Sammelleitung umgewandelt, an der die Strömung eine scharfe Umlenkung aus der seitlichen in die längsverlaufende Richtung der Sammelleitung (normalerweise 90°) erfahrt. Die verringerte Geschwindigkeit der

Gasströmung erleichtert diese Richtungsänderung bzw. Umlenkung. Die Folge ist, daß sie mit relativ geringen Druckverlusten durchgeführt werden kann.

Nachdem die Strömungsrichtung geändert wurde, sorgt ein Düsenabschnitt der Sammelleitung mit einem kleiner werdenden Profil bzw. Strömungsquerschnitt für eine Konzentration der Gasströmung. Der im Diffusorabschnitt erhöhte Druck wird in eine erhöhte Geschwindigkeit und einen verringerten Druck umgewandelt. Die Größe der Geschwindigkeitsänderung reicht aus, um zu ermöglichen, daß die Gasströmung einen benachbarten stromabwärtigen Abschnitt der Sammelleitung, der als nächster Abgasauslaß der Brennkraftmaschine dient, &ldquor;überspringt". Dies reduziert die turbulente Störung durch die Strömung aus der stromabwärtigen Abgasöffnung, die sich nicht im Ausstoßtakt befindet, d.h., bei der das Auslaßventil geschlossen ist. Aufgrund dieser Gestaltung der Abgassammelleitung wird das Volumen der Strömung optimiert, was zu einer Sammelleitung eines kleineren Profils und einer kleineren Masse führt, wodurch das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert und eine geringe thermische Trägheit erzeugt wird. Die Wärmeverluste der Sammelleitung werden auf diese Weise minimiert, was zu einer raschen Zündung eines katalytischen Konverters insbesondere beim Start der Brennkraftmaschine führt.

Der Diffusorvorgang wird vorzugsweise in der Auslaßöfmung des Zylinderkopfes ausgelöst. Wenn die Abgase in dem Zweigkanalabschnitt der Sammelleitung in seitlicher Richtung relativ zur Sammelleitung weiterströmen, kommt es zu einer scharfen Strömungsumlenkung, normalerweise um 90° bezüglich der Längsrichtung der Sammelleitung und in Richtung auf den Auslaß der Sammelleitung. Bei dieser Strömungsumlenkung im Diffusorabschnitt, insbesondere entlang der Oberseite, wird die Strömungsgeschwindigkeit verringert. Diese Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht eine 90°-Umlenkung bei minimalem Gesamtenergieverlust in der Sammelleitung. Unmittelbar stromab des Diffusorabschnittes &ldquor;konzentriert" der Düsenabschnitt die Strömung und wandelt den im Diffusorabschnitt erzeugten Druckanstieg in einen Geschwindigkeitsanstieg um. Der Geschwindigkeits-

anstieg ist ausreichend groß, um zu bewirken, daß die Strömung den in Strömungsrichtung nächstfolgenden Einlaß für die Abgase der zugehörigen Brennkammer &ldquor;überspringt" bzw. in Art eines Bypasses umgeht. Die in Reihe hintereinander angeordneten Diffusor-Düsen- Abschnitte sind für jeden Sammelleitungseinlaß, der einem zugehörigen Abgasauslaß der Brennkraftmaschine zugeordnet sind, vorgesehen.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Abgassammelleitung geschaffen, wobei jeder Einlaß der Sammelleitung einen Diffusorabschnitt und einen daran anschließenden Düsenabschnitt aufweist, um einen niedrigen Gesamtdruckabfall zu erzeugen, der zu einem verbesserten Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine führt und die Betriebsweise des katalytischen Konverters, insbesondere unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine, optimiert. Die Abgassammelleitung hat den Vorteil, daß sie ein geringes Volumen hat, so daß sie mit besonderem Vorteil bei beengten Platzverhältnissen eingesetzt werden kann. Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des linken Zylinderkopfes und der Abgassammelleitung einer Brennkraftmaschine der V-8-Bauart, wobei die Abgassammelleitung vom Zylinderkopf getrennt dargestellt ist; Fig. 2 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht der Abgassammelleitung in Blickrichtung weg vom Zylinderkopf;

Fig. 3 eine Schnittansicht in Richtung der Pfeile 3-3 in Fig. 2; Fig. 3 A eine Schnittansicht in Richtung der Pfeile 3 A-3 A in Fig. 1; Fig. 4 eine Seitenansicht der Abgassammelleitung in Fig. 1 in Blickrichtung weg vom Zylinderkopf;

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Abgassammelleitung in Fig. 4; Fig. 6 eine Schnittansicht längs der Linie 6-6 in Fig. 2; Fig. 7 eine Schnittansicht längs der Linie 7-7 in Fig. 2; Fig. 8 eine Schnittansicht längs der Linie 8-8 in Fig. 2.

Es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein Teil eines Fahrzeug-Motorraums dargestellt ist, in dem sich der obere Teil einer Brennkraftmaschine 10 der V-8-Bauart befindet. Genauer gesagt, ist der Zylinderkopf 12 der Brennkraftmaschine 10 in einer Lage oberhalb und beabstandet zu dem Rest der Brennkraftmaschine dargestellt. Die Brennkraftmaschine der V-8-Bauart hat, wie üblich, zwei Reihen von jeweils vier Zylindern 14, die in einem Blockabschnitt 15 der Brennkraftmaschine gebildet sind. Die vier Zylinder 14 der linken Reihe sind in Längsrichtung der Brennkraftmaschine zueinander ausgerichtet. Ein Kolben (nicht gezeigt) ist in jedem der Zylinder 14 hin- und herbewegbar gelagert.

In jedem Zylinder 14 bilden der obere Endabschnitt des Kolbens und der Hauptgehäuseabschnitt 18 des Zylinderkopfes 12 eine Brennkammer 17, wie am besten in Fig. 3 A zu sehen ist. Zumindest ein Auslaßventil 16 ist jeder Brennkammer 17 zugeordnet, um die Abgabe der Abgase während des Ausstoßtaktes der Brennkraftmaschine zu regeln. Das Auslaßventil 16 wird von dem Gehäuseabschnitt 18 des Zylinderkopfes 12 getragen, derart, daß es öffnen und schließen kann, so daß die zugehörige Brennkammer 17 von einem im Gehäuseabschnitt 18 des Zylinderkopfes 12 gebildeten Abgaskanal 21 getrennt ist. Während des Ausstoßtaktes eines speziellen Zylinders wird der Ventilkörper des Auslaßventiles 16 von einem Ventilsitz 19 wegbewegt, der im Gehäuseabschnitt 18 des Zylinderkopfes 12 gebildet ist. Die Abgase können dann durch die Auslaßöffnung ausströmen, die von dem Ventilsitz 19 gebildet wird. Die Abgase strömen dann in den Abgaskanal 21 zu der Auslaßöffnung 20.

Die Abgase fließen durch den Kanal 21 mit hoher Temperatur (z.B. 1038 °C) und mit relativ hoher Geschwindigkeit (z.B. 305 m/s) in Abhängigkeit von der wahlweise gesteuerten Öffnung des Auslaßventiles 16. Wie üblich, greift eine umlaufende Nockenwelle (nicht gezeigt) am oberen Ende eines Schaftes 22 des Auslaßventiles 16 an, um es aus einer normalerweise geschlossenen Stellung, in der dies an dem Ventilsitz 19 des Zylinderkopfes 18 anliegt, nach unten zu bewegen. In Fig.

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3 A wurde der Ventilkörper des Auslaßventiles 16 bereits nach unten in seine Öffnungsstellung bewegt, in der die Abgase aus der Brennkammer ausströmen können. Der Strömungsquerschnitt des Kanals 21 im Zylinderkopf 18 &ldquor;divergiert" in Strömungsrichtung weg vom Auslaßventil 16, d.h., daß die Querschnittsfläche bzw. das Querschnittsprofil stetig größer wird, wie am besten in Fig. 3 A zu sehen ist. Die Abgase strömen aus dem Kanal 21 durch die Auslaßöffnung 20 in eine Abgassammelleitung 30, wie in Fig. 1 dargestellt ist.

Wie insbesondere Fig. 1 zeigt, besitzt die Abgassammelleitung 30 eine Reihe von Zweigkanalabschnitten 24a, 24b, 24c und 24d. Jeder Zweigkanalabschnitt bildet, wie aus den Figuren 2 und 3 hervorgeht, einen Kanal, der zu dem jeweiligen Kanal 21 des Zylinderkopfes 18 hin offen ist. Die Zweigkanalabschnitte 24a-d empfangen die Abgase von der zugehörigen Auslaßöffnung 20 des Zylinderkopfes 18. Die Strömungen in jedem der Zweigkanalabschnitte 24a-d werden aus der seitlichen Richtung des Kanals 21 weg vom Zylinderkopf 18 um 90° in die Längsrichtung des Zylinderkopfes 18 und der Sammelleitung 30 erstreckt.

Wie am besten in Fig. 3 zu sehen ist, besitzt die Abgassammelleitung 30 einen Hauptkanal 27, der von einem rohrförmigen Hauptkanalabschnitt 28 gebildet wird. Der Hauptkanalabschnitt 28 erstreckt sich in Längsrichtung. Wenn die Sammelleitung 30 an dem zugehörigen Zylinderkopf 18 befestigt ist, wie in Figuren 6, 7 und 8 dargestellt, sind ihre Einlasse zu den Auslaßöffnungen 20 des Zylinderkopfes 18 ausgerichtet. Die Abgassammelleitung 30 ist am Zylinderkopf 18 durch Bolzen bzw. Schrauben 34 befestigt. Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, hat der Hauptkanalabschnitt 28 der Abgassammelleitung 30 ein geschlossenes vorderes Ende 36 und ein offenes rückwärtiges Ende 38, das von einem Flansch 38' umgeben ist. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, ist der Flansch 38' mit einem Abgasrohr 40 verbunden, das Abgasrohr 40 wiederum ist mit dem Einlaß eines katalytischen Konverters 42 verbunden. Der Auslaß des katalytischen Konverters 42 wiederum ist mit einem Auspuffrohr 44 verbunden.

Wenn auch lediglich der linke Zylinderkopf 18 und seine zugehörige Abgassammelleitung 30 in Fig. 1 dargestellt und oben beschrieben wurde, ist natürlich eine entsprechende Abgassammelleitung auch auf der rechten Seite für den rechten Zylinderkopf der Brennkraftmaschine vorgesehen. Bei anderen Brennkraftmaschinen wie z.B. einer 1-4- (Vierzylinder-Reihenmotor) oder einer I-6-Brennkraftmaschine, bei denen lediglich eine einzige Zylinderreihe und nur ein Zylinderkopf vorgesehen sind, wird natürlich nur eine Abgassammelleitung benötigt. Der spezielle Aufbau und die spezielle Gestaltung der beschriebenen Abgassammelleitung läßt sich jedoch auch bei derartigen anderen Konfigurationen der Brennkraftmaschine einsetzen. Die Vorteile eines kompakten Aufbaus, einer verringerten Masse und eines niedrigeren Druckabfalls in der Sammelleitung ergeben sich auch bei anderen Motorkonfigurationen. Auch ergibt sich dort die verbesserte Wärmeübertragung an den katalytischen Konverter, was zu einer früheren Zündung und somit einer effektiveren Nachbehandlung der Abgase führt.

Der Motorraum der meisten modernen Fahrzeuge ist sehr begrenzt und üblicherweise vom Motor und dem zugehörigen Getriebe besetzt. Auch Zusatzaggregate, die von der Brennkraftmaschine angetrieben werden, nehmen erheblichen Platz ein und verringern den zur Verfugung stehenden Platz. Somit ist eine Abgassammelleitung verringerten Platzbedarfes und verringerter Masse sowie mit optimalen Strömungseigenschaften wünschenswert. Wie bereits erwähnt, verhindert eine Abgassammelleitung einer verbesserten Strömung und verringerten Masse, daß die Temperatur der Abgase in der Sammelleitung zu stark abfällt. Daher ist die Temperatur der Abgase, die in den katalytischen Konverter strömen, kurz nach einem Kaltstart relativ hoch, so daß der katalytische Konverter rasch auf seine Zündtemperatur gebracht wird, worauf die unverbrannten Kohlenwasserstoffe oxidiert und andere Verbrennungsprodukte in Wasserdampfund Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden.

Die Abgassammelleitung 30 erzielt diese Vorteile, wie im folgenden genau erläutert wird.

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Wie am besten in den Figuren 3 und 4 zu sehen ist, umfaßt die Abgassammelleitung 24 mehrere seitlich beabstandete Zweigkanalabschnitte 24a-d, in denen jeweils ein Zweigkanal gebildet ist. Wie die Kanäle 21 des Zylinderkopfes 18 bilden die Zweigkanäle der Zweigkanalabschnitte 24a-d Diffusorabschnitte 26a, 26b, 26c, 26d, deren Strömungsquerschnitt mit zunehmendem Abstand vom Einlaß in Richtung zu dem Hauptkanal 27 größer wird. Die Diffusorabschnitte 26a-d sind jeweils zu dem Inneren des Hauptkanales 27 innerhalb des Hauptkanalabschnittes 28 hin offen. Wie am besten in Fig. 4 zu sehen ist, sind die Diffusorabschnitte 26a-d sogar von außerhalb der Sammelleitung sichtbar, und zwar durch ihre nach oben und außen gewölbten Abschnitte. Die fortschreitende Querschnittsvergrößerung der Diffusorabschnitte 26a-d vom Einlaß zum Auslaß bewirkt, daß die Strömung der Abgase in der Geschwindigkeit abnimmt und im Druck zunimmt. Beim Durchströmen eines Diffusorabschnittes werden die Abgase aus einer allgemein seitlichen Richtung von außerhalb des Zylinderkopfes ungefähr in die Längsrichtung des Hauptkanalabschnittes 28 umgelenkt. Die Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit hilft mit, Strömungsenergie zu &ldquor;konservieren", wenn die Gasströmung um ungefähr 90° umgelenkt wird.

Es wird nun die Funktionsweise der beschriebenen Abgassammelleitung erläutert.

Wenn das Auslaßventil 16 eines bestimmten Zylinders 14 öffnet, strömen die Abgase in die zugehörigen Zweigkanalabschnitte 24a-d der Abgassammelleitung 30. Unmittelbar nach Öffnen des Auslaßventiles steigt der Gasdruck an. Wie in Fig. 3 gezeigt, empfängt beispielsweise der Einlaß des Zweigkanalabschnittes 24b und der zugehörige Diffusorabschnitt 26b Abgase aus dem entsprechenden Kanal 21 des Zylinderkopfes. Die Gasströmung ist durch Pfeile F₁ dargestellt. Zu beachten ist, daß die Strömung um ungefähr 90° umgelenkt wird, wenn die Strömung aus dem Zylinderkopf 18 in den Zweigkanalabschnitt eingetreten ist. Ein Abschnitt 50 der Innenwand der Abgassammelleitung 30, der sich von dem Einlaß des Diffusorabschnittes 26b in stromabwärtiger Richtung erstreckt, ist leicht gekrümmt, um die

Strömung geringfügig nach oben in die Längsrichtung des Hauptkanals 27 zu lenken. Dies hat eine starke Diffusorwirkung zur Folge, ohne die Gefahr einer Grenzschichtablösung, die zu einer die Wandfläche verlassenden turbulenten Strömung führen würde. Die Wandfläche 52 gegenüber der Wand 50 ist ebenfalls allmählich gekrümmt, um die Strömung umzulenken in die Längsrichtung zu dem Auslaßende des Hauptkanalabschnittes 28 hin.

Gemeinsam bilden die Wandflächen 50 und 52 eine Art Tragflügel. Die verzögerten Abgase, die nacheinander durch die entsprechenden Zweigkanalabschnitte 24a-d und zugehörigen Diffusorabschnitte 26a-c strömen, bilden an den Wandinnenflächen eine an diesen haftende Grenzschicht, so daß die Strömung durch die Abgassammelleitung bei vergleichsweise geringer Geschwindigkeit und erheblich verringerten Strömungsverlusten erfolgt.

Nachdem jedoch die Abgase um 90° umgelenkt wurden, muß die kinetische Energie des Gases, die durch die Geschwindigkeitsabnahme im Diffusorabschnitt verringert wurde, wieder gewonnen werden. Aus diesem Grund ist die Form der Abgassammelleitung stromab jedes Diffusorabschnittes 26a-c so geändert, daß sie einen Düsenabschnitt 54a, 54b bzw. 54c bildet, wie am besten in den Figuren 2 und 3 zu sehen ist. Jeder Düsenabschnitt 54a-c ist mit einem entsprechenden Diffusorabschnitt 26a-c in Reihe geschaltet. Wenn die Abgase durch einen Düsenabschnitt strömen, gewinnen sie die durch den Diffusorabschnitt verringerte Strömungsgeschwindigkeit wieder zurück. Die drei Düsenabschnitte 54a-c sind in der Abgassammelleitung jeweils unmittelbar gegenüber einem Einlaß eines stromabwärts angeordneten Diffusorabschnitt 26b, 26c bzw. 26d angeordnet. Diese Düsenabschnitte bewirken, daß die den Diffusorabschnitt verlassenden Abgase aufgrund der Konvergenz des Strömungskanals, d.h. der allmählichen Verringerung des Strömungsquerschnitts, an Geschwindigkeit zunehmen. Diese Geschwindigkeitszunahme ist natürlich von einer Druckabnahme begleitet. Aufgrund der kinetischen Energie, die aus der Druckenergie des Gases in der Düse herrührt, &ldquor;überspringt" die Hochgeschwindigkeitsströmung die stromabwärtige Abgasöffnung.

Wenn beispielsweise, wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt, der Gasstrom F₁ den Diffusorabschnitt 26b mit relativ niedriger Geschwindigkeit und relativ hohem Druck verläßt, bewegt er sich durch den nächsten Düsenabschnitt 54b, in dem die Strömungsgeschwindigkeit vergrößert und der Druck entsprechend verringert werden, wie durch die Pfeile F₂ angedeutet wird. Die in Reihe geschalteten Diffüsor- und Düsenabschnitte haben eine solche Form, daß der hohe Druck im Diffusorabschnitt in erhöhte Geschwindigkeit im Düsenabschnitt umgewandelt wird, was ausreicht, um an der Öffnung des benachbarten Diffusorabschnittes 26c mit einem Minimum an Turbulenz und Störung durch den relativ langsamen Gasstrom vorbeizugelangen, da der Diffusorabschnitt 26c bei geschlossenem Auslaßventil relativ inaktiv ist.

Der in diesem Zusammenhang verwendete Ausdruck &ldquor;Überspringen" ist in gewisser Weise vergleichbar mit dem &ldquor;Überholen" bei Fahrzeugrennen. Bei Fahrzeugrennen bewegt sich ein nachfolgender Wagen unmittelbar hinter einem vorderen Rennwagen in dessen Windschatten, so daß die Luftströmung den nachfolgenden Rennwagen weitgehend &ldquor;überspringt". Wenn die beschleunigten Abgase durch den Düsenabschnitt des Zweigkanalabschnittes 26b strömen, sind die stromab liegenden Diffusorabschnitte 26c und 26d weitgehend inaktiv, da die zugehörigen Auslaßventile geschlossen sind. Die beschleunigten Abgase strömen daher sehr rasch an dem Diffusorabschnitt 26c vorbei, und zwar aufgrund der Geschwindigkeitsrückgewinnung im Düsenabschnitt 54b. Wenn der Zweigkanalabschnitt 24c bei geöffnetem zugehörigen Auslaßventil mit Abgasen beaufschlagt wird, wird der Diffusorabschnitt 26d von den beschleunigten Abgasen aufgrund der Wirkung des Düsenabschnittes 24c in gleicher Weise &ldquor;übersprungen". Da somit die inaktiven Auslaßöffnungen bzw. Diffusorabschnitte von der Strömung aufgrund der stromaufwärtigen Diffusor-Düsen-Kombination gewissermaßen übersprungen werden, strömen große Mengen an Abgas mit hohem Wirkungsgrad durch die Abgassammelleitung, und Strömungsturbulenzen werden aufgrund einer Verringerung von gegen-

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seitigen Störungen und des Druckabfalls beim Vorbeiströmen an der inaktiven Öffnung minimiert.

Die anderen Kombinationen aus Diffusor- und Düsenabschnitten arbeiten natürlich in der gleichen Weise, wobei jeder Diffusorabschnitt die kinetische Energie verringert, während sich die Strömungsrichtung ändert. Die Gesamtenergie der Strömung ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit, und eine relativ geringe Abnahme des Strömungsdrucks entspricht einer relativ großen Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit. Die Umlenkung der Strömung um ungefähr 90° erfolgt daher in einem relativ kompakten bzw. kleinen Raum ohne große Druckverluste.

Die Strömungsgeschwindigkeit kann mit gutem Wirkungsgrad in den Düsenabschnitten wiedergewonnen werden, so daß der Gesamtdruckabfall in der Abgassammelleitung relativ gering ist und es somit zu einem geringeren Rückdruck an der Brennkraftmaschine aufgrund der Strömung durch die Abgassammelleitung kommt. Dies verbessert natürlich das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine.

Mit der erfmdungsgemäß vorgesehenen Diffusor-Düsen-Konfiguration kann die Abgassammelleitung erheblich verkleinert werden, so daß sie weniger Platz im Motorraum des Fahrzeuges erfordert und dennoch in der Lage ist, die Abgase mit hohem Wirkungsgrad abzuführen und in einem großen Bereich von Drehzahlen wie auch für unterschiedliche Bauarten der Brennkraftmaschine effektiv zu arbeiten.

Außerdem ist bei dieser Diffusor-Düsen-Konstruktion die Masse des Leitungsmaterials wesentlich reduziert, so daß Wärmeverluste beim Erwärmen einer kalten Abgassammelleitung erheblich gemindert werden, d.h., die Sammelleitung wirkt nicht als große Wärmesenke. Die Folge ist, daß die heißen Abgase die Sammelleitung mit höherer Temperatur und höherer Geschwindigkeit als bisher verlassen. Auch ist die Temperatur der Abgase, die die Sammelleitung verlassen, höher, so daß der katalytisch^ Konverter früher zu arbeiten beginnt bzw. früher gezündet wird. Dies ist wichtig, wenn die Brennkraftmaschine zunächst kalt ist und zum ersten Mal angelassen wird. Unter diesen Bedingungen muß die Temperatur der die Brennkammern und die Sammelleitung verlassenden Abgase normalerweise von sehr niedrigen Werten an erhöht werden. Die verringerte Masse der Abgassammei-

leitung erlaubt es, mehr der aus dem Verbrennungsvorgang resultierenden Wärmeenergie an den katalytischen Konverter abzugeben.

Claims

PATENTANWÄLTE DR.-ING. H. NEGENDANK (-1973)

HAUCK₅ GRAALFS, WEHNERT, DÖRING, SIEMONS

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U.SA.

Abgassammelleitung für eine Brennkraftmaschine

S chutzansprüche

1. Abgassammelleitung für eine Brennkraftmaschine (10) mit mehreren Zylindern (14) und Brennkammern (17) und mindestens einem Auslaßventil (16) für jede Brennkammer, mit:

(a) einem Hauptkanalabschnitt (28), der einen in Längsrichtung verlaufenden Hauptkanal (27) mit einem Auslaß (38) bildet,

(b) mehreren seitlich verlaufenden Zweigkanalabschnitten (24a-d), die an der Brennkraftmaschine (10) anschließbar sind, um Abgase aus einem zugehörigen Zylinder (14) und zugehöriger Brennkammer (17) unter Steuerung eines zugehörigen Auslaßventiles (16) zu empfangen und sie an den Hauptkanal (27) abzugeben,

(c) mehreren in Reihe geschalteten Diffiisor-Düsen-Absctmitten (26a-c, 54ac) zwischen den an den Zweigkanalabschnitten angeschlossenen Einlassen und dem Auslaß (38) des Hauptkanals (27),

(d) wobei jeder der Einlasse des Hauptkanals (27) in einen zugehörigen Diffusor-Düsen-Abschnitt (26a-c, 54a-c) mündet, um zur Erleichterung einer Strömungsumlenkung den Druck zu erhöhen und die Strömungsgeschwindigkeit zu verringern, und dann den erhöhten Druck und die verringerte Strömungsgeschwin-

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digkeit in einen verringerten Druck und eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit umzuwandeln, wobei die mit erhöhter Geschwindigkeit strömenden Abgase an dem nächsten Einlaß des Hauptkanals (27) mit minimaler turbulenter Störung vorbeiströmen, wodurch die Gesamtströmung optimiert und der Druckabfall in der Abgas-Sammelleitung (10) minimiert wird.
2. Abgassammelleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsumlenkung ungefähr 90° beträgt.
3. Abgassammelleitung für eine Brennkraftmaschine (10) mit mehreren Zylinder-Anordnungen (14, 17) und einem Auslaßventil (16) für jede Zylinder-Brennkammer-Anordnung (14, 17) mit:

(a) einem Hauptkanalabschnitt (28), der einen Hauptkanal (27) mit einem Auslaß (38) bildet,

(b) mehreren seitlich verlaufenden Zweigkanalabschnitten (24a-24d), die in Längsrichtung des Hauptkanalabschnittes (28) verteilt angeordnet sind, wobei jeder Zweigkanalabschnitt (24a-d) einen Einlaß aufweist, der an einer Zylinder-Brennkammer-Anordnung (14, 17) anschließbar ist, um bei geöffnetem Auslaßventil (16) Abgase zu empfangen, wobei jeder Zweigkanalabschnitt (24a-d) eine in den Hauptkanal (27) mündende Auslaßöffnung aufweist,

(c) wobei jeder Zweigkanalabschnitt (24a-d) einen stromab seines Einlasses verlaufenden Diffusorabschnitt (26a-c) aufweist, um den Druck zu erhöhen und die Strömungsgeschwindigkeit zu verringern, wodurch eine effektive Strömungsumlenkung aus der seitlichen Richtung in die längsverlaufende Richtung bei minimalem Druckverlust erzielt wird,

(d) wobei jeder Zweigkanalabschnitt (24a-d) stromab des Diffusorabschnittes (26a-c) einen Düsenabschnitt (54a-c) aufweist, um die Strömung höheren Drucks und geringerer Geschwindigkeit in eine Strömung niedrigeren Drucks und höherer Geschwindigkeit umzuwandeln, so daß die Strömung höherer Geschwindigkeit in den Düsenabschnitt (54a-c) an der nächstfolgenden Auslaßöffnung des Zweigkanal-

abschnittes (24a-d) unter minimaler turbulenter Störung und minimalem Druckverlust vorbeiströmt.
4. Abgassammelleitung nach Fig. 3, dadurch gekennzeichnet, der Diffusorabschnitt (26a-c) angrenzend an den Zweigkanalabschnitt (24a-c) angeordnet ist, und daß der Düsenabschnitt (54a-c) unmittelbar mit dem Auslaß des Diffusorabschnittes (26a-c) verbunden ist.
5. Abgassammelleitung für eine Brennkraftmaschine (10) mit mehreren Zylinder-Brennkammer-Anordnungen (14, 17) und mindestens einem Auslaßventil (16) für jede derartige Anordnung, mit:

(a) einem Hauptkanalabschnitt (28) in Form eines Rohrkörpers, der einen Hauptkanal (27) mit einem Auslaß bildet,

(b) mehreren seitlich verlaufenden Zweigkanalabschnitten (24a-d), die in Längsrichtung des Hauptkanalabschnittes (28) verteilt angeordnet sind, wobei jeder Zweigkanalabschnitt (24a-d) einen Einlaß zum Empfang von Abgasen aus der zugehörigen Zylinder-Brennkammer-Anordnung (14, 17) bei geöffnetem Auslaßventil (16) sowie einen in den Hauptkanal (27) mündenden Auslaß aufweist,

(c) wobei jeder der Zweigkanalabschnitte (24a-d) einen Diffusorabschnitt (26a-c) stromab seines Einlasses aufweist, um den Druck zu erhöhen und die Strömungsgeschwindigkeit zu verringern und dadurch eine effektive Strömungsumlenkung zu ermöglichen,

(d) wobei jeder Zweigkanalabschnitt (24a-d) einen Düsenabschnitt (54a-c) aufweist, der stromab des Diffusorabschnittes (26a-c) angeordnet ist, um die Strömung erhöhten Drucks und verringerter Geschwindigkeit aus dem Diffusorabschnitt zu empfangen und die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen und den Druck zu verringern, so daß die Abgase an dem Auslaß des nächstfolgenden Zweigkanalabschnittes (24a-d) unter minimaler turbulenter Störung und verringertem Druckabfall vorbeiströmt.
6. Abgassammelleitung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Diffusorabschnitt (26a-c) unmittelbar stromab des Einlasses des zugehörigen

Zweigkanalabschnittes (24a-d) angeordnet ist, und jeder Düsenabschnitt (54a-c) unmittelbar mit dem Auslaß des stromaufwärtigen Difflisorabschnittes (26a-c) verbunden ist, und daß ein Auslaß benachbart zu dem nächsten Zweigkanalabschnitt (24a-d) angeordnet ist.
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