DE4205581A1 - Abgasrohr mit verstellbarem drosselelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasrohr einer Brennkraft­ maschine mit einem verstellbaren Drosselelement zur Ein­ stellung des im Bereich des Drosselelementes düsenartig verlaufenden freien Strömungsquerschnittes.

Bekannt sind unterschiedlichste Ausgestaltungen von Dros­ selelementen, mit denen die Gasdynamik im Abgasrohr einer Brennkraftmaschine im positiven Sinne beeinflußt werden kann. Mögliche Ziele sind dabei die Verringerung der Geräuschemissionen oder auch eine insgesamt verbesserte Ladungswechseldynamik der Brennkraftmaschine. Beispiels­ weise läßt sich mit einer verbesserten Abgasdynamik die Charakteristik der Leistungs- und Drehmomentkurve der Brennkraftmaschine, d. h. der Verlauf des von der Brenn­ kraftmaschine abgegebenen Drehmomentes über der Brenn­ kraftmaschinendrehzahl, in gewünschter Weise beein­ flussen.

Als verstellbare Drosselelemente in Abgasrohren von Brennkraftmaschinen kommen beispielsweise übliche Dros­ selklappen zum Einsatz, die jedoch unverhältnismäßig hohe Strömungsverluste hervorrufen. Diesbezüglich verbessert ist eine schieberartige Ausführungsform, wie sie bei­ spielsweise bei Motorrädern der Firma Yamaha unter der Bezeichnung "exup" bekannt wurde und in der EP-A-02 70 121 beschrieben ist. Dieses schieberartige Drosselelement nutzt die am Schieber entstehenden Gasreflexionen zur Verbesserung der Ladungswechseldynamik der Brennkraft­ maschine, verursacht jedoch immer noch nicht vernach­ lässigbare Strömungsverluste.

Zumindest unter strömungstheoretischen Aspekten lassen sich diese Strömungsverluste weiter verringern, wenn mit Hilfe des Drosselelementes ein in dessen Bereich zumin­ dest annähernd düsenartig verlaufender freier Strömungs­ querschnitt eingestellt werden kann. Ein Beispiel für eine derartige Gestaltung zeigt die DE-PS 6 11 659. Da je­ doch auch diese bekannte Lösung in einer tatsächlich ge­ bauten Ausführungsform äußerst verlustbehaftet arbeitet, hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein strö­ mungsdynamisch optimiertes verstellbares Drosselelement zur Beeinflussung der Abgasdynamik aufzuzeigen, das dü­ senartig arbeitet und dabei lediglich einen minimalen Strömungswiderstand bietet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß das Dros­ selelement aus zumindest zwei den Umfang des freien Strö­ mungsquerschnittes bestimmenden Formkörpern besteht, die quer zur Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet und um eine zur Rohrlängsachse im wesentlichen senkrechte Achse verdrehbar sind. Vorteilhafte Aus- und Weiterbil­ dungen der Erfindung sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird die Abgasdynamik quasi durch eine verstellbare Düse beeinflußt, wobei die Verstellung durch Veränderung des Düsenwandbereiches erfolgt. Dabei setzt sich der Düsenwandbereich zumindest teilweise aus den be­ sagten Formkörpern zusammen. Dies wird durch das Merkmal, daß die Formkörper den Umfang des freien, düsenartig ver­ laufenden Strömungsquerschnittes bestimmen, beschrieben. Abweichend vom bekannten, oben gewürdigten System nach der EP-A-02 70 121 arbeitet somit die Erfindung nicht mit einem Reflexionssystem, sondern mit einem Düsensystem. Abweichend von der oben gewürdigten DE-PS 6 11 659 sind beim erfindungsgemäßen Düsensystem innerhalb des Strö­ mungsquerschnittes keine zusätzlichen Drosselstellen vor­ handen. Vielmehr wird der freie Strömungsquerschnitt vom Umfang her, d. h. von außen her beeinflußt, bzw. verän­ dert, so daß unter Beibehaltung der düsenartigen Gestal­ tung lediglich minimalste Strömungswiderstände auftreten.

Eine hierfür vorteilhafte Anordnung sowie besonders ge­ eignete Verstell-Bewegungsrichtung der Formkörper ist in den weiteren kennzeichnenden Merkmalen des ersten Pa­ tentanspruches angegeben.

Es ist beispielsweise möglich, bei einem Abgasrohr von im wesentlichen rechteckigen Querschnitt lediglich an den beiden einander gegenüberliegenden, beispielsweise länge­ ren Seitenkanten jeweils einen derartigen Formkörper vor­ zusehen, der mit seiner dem Strömungsquerschnitt zuge­ wandten Fläche jeweils quasi eine halbe Düse bildet. Da­ bei sind diese den Strömungsquerschnitt bestimmenden Flä­ chen der Formkörper jeweils so geformt, daß bei einem Verdrehen der Formkörper um ihre jeweils im wesentlichen senkrecht zur Rohrlängsachse verlaufende Drehachse der tatsächliche freie Strömungsquerschnitt verändert wird.

Es ist möglich, die Formkörper so auszubilden und anzu­ ordnen, daß die nebeneinanderliegenden Formkörper jeweils im engsten freien Strömungsquerschnitt im wesentlichen aneinanderstoßen. Dann wird der freie Strömungs­ querschnitt vollständig durch die Formkörper bestimmt, so daß sich in diesem Falle eine optimale, jeweils im we­ sentlichen zentrisch zum Abgasrohr liegende Düse ergibt. Eine derartige Gestaltung ist insbesondere auch für im wesentlichen kreisförmige Abgasrohre möglich. Mit dieser verstellbaren Düse bildet sich zwischen einem Auslaßven­ til der Brennkraftmaschine, d. h. dem Beginn des Abgas­ rohres und der erfindungsgemäßen Düse ein verstellbares Resonatorsystem, dessen Resonanzen in vorteilhafter Weise genutzt werden können.

Um eine ausreichende Dichtheit des gesamten Abgassystemes der Brennkraftmaschine sicherzustellen, empfiehlt es sich, die Formkörper innerhalb des Abgasrohres anzu­ ordnen. Um unnötige Strömungsverluste zu vermeiden, dürfte es dann in den meisten Fällen auch erforderlich sein, das Abgasrohr im Bereich dieses Drosselelementes bzw. im Bereich der Formkörper zu erweitern. Dabei können sich in Abhängigkeit von der aktuellen Position der Form­ körper zwischen dem ggf. erweiterten Abgasrohr sowie den Formkörpern außerhalb des eigentlichen Strömungsquer­ schnittes Hohlräume bilden. Diese Hohlräume sind durchaus erwünscht und verstärken die beschriebenen positiven Ef­ fekte auf die Abgasdynamik der Brennkraftmaschine, da nunmehr nicht nur ein verstellbares Resonator-System, sondern ein verstellbares Diffusor-Resonator-System vor­ liegt. Mit Hilfe dieses Diffusor-Resonator-Systemes läßt sich die Abgasdynamik insbesondere zwischen den Auslaß­ ventilen der Brennkraftmaschine und der vorgeschlagenen, aus den beschriebenen Formkörpern bestehenden Drosselein­ heit so beeinflussen, daß die Ladungswechseldynamik der Brennkraftmaschine im Hinblick auf einen gleichmäßigeren Drehmomentverlauf verbessert werden kann. Mit dem vorge­ schlagenen verstellbaren Resonator-System bzw. verstell­ baren Diffusor-Resonator-System ergeben sich somit neben geringeren Spülverlusten der Brennkraftmaschine redu­ zierte Geräuschemissionen sowie eine Verbrauchs- und Schadstoff-Reduktion der Brennkraftmaschine.

Der näheren Erläuterung der Erfindung dienen die beige­ fügten Prinzipskizzen eines bevorzugten Ausführungs­ beispieles. Es zeigt

Fig. 1 einen Mittenschnitt durch ein im Querschnitt rechteckiges oder kreisförmiges Abgasrohr mit zwei einander gegenüberliegenden erfindungs­ gemäßen Formkörpern,

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung mit andersartig positionierten Formkörpern,

Fig. 3 eine dreidimensionale Darstellung der Form­ körper in einer Position gemäß Fig. 1 sowie

Fig. 4 eine dreidimensionale Darstellung der Form­ körper in einer Position gemäß Fig. 2.

Mit der Bezugsziffer 1 ist ein Abgasrohr einer Brenn­ kraftmaschine bezeichnet, das beispielsweise gemäß Pfeil­ richtung 2 (Strömungsrichtung 2) vom Abgas der Brenn­ kraftmaschine durchströmt wird. Der über der Länge des Abgasrohres 1 ggf. variable, jeweilig relevante Strö­ mungsquerschnitt ist durch Maßpfeile 3 gekennzeichnet, während die Rohrlängsachse des Abgasrohres 1 mit der Be­ zugsziffer 1a bezeichnet ist. Dabei beginnt das Abgasrohr 1 an einem Auslaßventil 11 der Brennkraftmaschine.

Im Abgasrohr 1 ist ein in seiner Gesamtheit mit 4 ver­ stellbares Drosselelement angeordnet. Dieses verstellbare Drosselelement 4 besteht aus zwei Formkörpern 4a, 4b die quer zur Strömungsrichtung 3 nebeneinander angeordnet und jeweils um eine zur Rohrlängsachse 1a im wesentlichen senkrechte Achse 5a, 5b verdrehbar sind. Diese Drehachsen 5a, 5b verlaufen in den Fig. 1, 2 senkrecht zur Zeichen­ ebene.

In Fig. 1 sind die beiden Formkörper 4a, 4b in eine der­ artige Position gebracht, daß sie mit ihren einander zu­ gewandten Flächen 6a, 6b einen Strömungsquerschnitt 3 de­ finieren, wie er auch außerhalb des Bereiches dieses Drosselelementes 4 im Abgasrohr 1 anzutreffen ist.

Bei Fig. 2 jedoch sind die Formkörper 4a, 4b gegenüber der Position in Fig. 1 um ihre Drehachsen 5a, 5b ver­ dreht und befinden sich nun in einer derartigen Position, daß sie mit ihren einander zugewandten Flächen 6a, 6b eine Düsenkontur beschreiben, d. h. der freie Strömungsquerschnitt 3 nimmt in Strömungsrichtung 2 be­ trachtet zunächst ab, um sich später lavaldüsenartig wie­ der zu erweitern.

Dieser Sachverhalt ergibt sich besonders deutlich aus den Fig. 3 und 4, in denen im wesentlichen lediglich die einander zugewandten Flächen 6a, 6b der Formkörper 4a, 4b mit Oberflächenliniatur in dreidimensionaler Form darge­ stellt sind. Demnach bestimmen die Formkörper den Umfang 10 des freien Strömungsquerschnittes 3. In diesen Dar­ stellungen erkennt man auch, daß die - im bevorzugten Ausführungsbeispiel beiden - Formkörper 4a, 4b im wesent­ lichen aus Kreiszylindern herausgearbeitet sind. Die Rohrlängsachse 1a verläuft dabei in Richtung der x-Achse des ebenfalls eingezeichneten Koordinatensystemes, wäh­ rend die Drehachsen 5a, 5b der Formkörper 4a, 4b parallel zur z-Achse dieses Koordinatensystemes verlaufen. Die beiden Fig. 3, 4 geben dabei in eindrucksvoller Form die durch unterschiedliche Positionierung der Formkörper 4a, 4b erzielbaren unterschiedlichen, stets jedoch düsen­ artig verlaufenden freien Strömungsquerschnitte 3 wieder. Wie ersichtlich stoßen dabei die nebeneinanderliegenden Formkörper 4a, 4b jeweils im engsten freien Strömungsquerschnitt an den Stellen 7 im wesentlichen an­ einander.

Die Fig. 1, 2 zeigen darüber hinaus, wie die Form­ körper 4a, 4b innerhalb des im Bereich dieses Drossel­ elementes 4 erweiterten Abgasrohres angeordnet sind. Da­ bei ist die Wand 9 des Abgasrohres im Bereich des erfin­ dungsgemäßen Drosselelementes 4 bezüglich der Drehachsen 5a, 5b der Formkörper 4a, 4b ebenfalls kreiszylindrisch gestaltet, um die aus Kreiszylindern herausgearbeiteten Formkörper 4a, 4b in jeder beliebigen Position aufnehmen zu können. Dabei bilden sich zwischen den Formkörpern 4a, 4b sowie der Wand des Abgasrohres 1 außerhalb des eigent­ lichen Strömungsgureschnittes 3 Hohlräume 8a, 3b, die ne­ ben dem bereits beschriebenen Düseneffekt zusätzlich die Gasdynamik im Abgasrohr 1 in positiver Weise beeinflussen können. In Abhängigkeit von der Position der Formkörper 4a, 4b sowie in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung 2 können sich diese Hohlräume 8a, 8b dabei in der jeweili­ gen Strömungsrichtung betrachtet vor und/oder hinter den Formkörpern 4a, 4b bilden. Somit ist es möglich, die Formkörper 4a, 4b bzw. die einander zugewandten Flächen 6a, 6b, die im wesentlichen den freien Strömungsquer­ schnitt 3 bestimmen, den jeweiligen Anforderungen ent­ sprechend auszulegen. Dies ist jedoch in Abstimmungsar­ beiten an konkret ausgeführten Abgasrohren von konkret vorhandenen Brennkraftmaschinen auf einfache Weise mög­ lich. Dabei können sich durchaus konstruktive Abwandlun­ gen vom gezeigten Ausführungsbeispiel ergeben, die wei­ terhin unter den Inhalt der Patentansprüche fallen.

Claims (5)

1. Abgasrohr (1) einer Brennkraftmaschine mit einem verstellbaren Drosselelement (4) zur Einstellung des im Bereich des Drosselelementes (4) düsenartig ver­ laufenden freien Strömungsquerschnittes (3), dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselelement (4) aus zumindest zwei den Umfang (10) des freien Strömungsquerschnittes (3) bestimmenden Formkörpern (4a, 4b) besteht, die quer zur Strömungsrichtung (2) nebeneinander angeordnet und jeweils um eine zur Rohrlängsachse (1a) im wesentlichen senkrechte Achse (5a, 5b) verdrehbar sind.

2. Abgasrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nebeneinander­ liegenden Formkörper (4a, 4b) im jeweils engsten freien Strömungsquerschnitt (3) im wesentlichen an­ einanderstoßen (Stoß-Stellen 7).

3. Abgasrohr nach Anspruch 1 oder 2 mit einem im we­ sentlichen kreisförmigen Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß einander gegenüber­ liegend zwei Formkörper (4a, 4b) vorgesehen sind, deren einander zugewandte Flächen (6a, 6b) jeweils eine halbe Düsenkontur beschreiben.

4. Abgasrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper (4a, 4b) innerhalb des im Bereich des Drosselelementes (4) erweiterten Abgasrohres (1) angeordnet sind.

5. Abgasrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wand (9) des Abgasrohres (1) und den Formkörpern (4a, 4b) außerhalb des eigentlichen Strömungsquerschnittes (3) Hohlräume (8a, 8b) liegen.