DE4211600A1 - Abgasanlage für Zweitakt-Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für Zweitakt- Brennkraftmaschinen entsprechend dem Oberbegriff des An­ spruchs 1. Eine solche Abgasanlage ist durch die EP-03 89 466-A1 bekanntgeworden.

Mit der bekannten Abgasanlage ist in erster Linie eine Verbesserung der Drehmomentcharakteristik über einen breiten Drehzahlbereich beabsichtigt. Die bekannte Abgasanlage benö­ tigt hierzu unterschiedlich bemessene Diffusoren, welche mit­ tels unterschiedlich langer Rohrleitungen an die motorzylin­ derseitigen Auslaßschlitze angeschlossen sind.

So wird beispielsweise gemäß der EP-03 89 466-A1 bei ei­ nem Einzylinder-Motor zunächst ein relativ langes Verbin­ dungsrohr vom Auslaßschlitz zu einem etwa düsenartigen Sam­ melbehälter verwendet, an welchen sich zwei unterschiedlich lange Zwischenrohrstücke anschließen, von denen jedes in einen Diffusor mündet. Die beiden Diffusoren sind über kreis­ zylindrische Zwischenräume unterschiedlicher axialer Länge an einen Sammelbehälter angeschlossen, von dem aus die Abgase zu einem Katalysator - und von dort zu einem Schalldämpfer - geleitet werden.

Bei einem Dreizylinder-Motor werden gemäß der EP-03 89 466 A1 zwei Resonatoren verwendet, welche in einem Sammelraum angeordnet sind. Auch jene bekannte Ausführungsva­ riante ist durch sehr große Rohrlängen gekennzeichnet. Mit der Zusammenfassung von Rohrlängen und Resonatoren innerhalb eines gemeinsamen Sammelraums ist gemäß der EP-03 89 466 be­ absichtigt, eine hinreichend hohe Abgastemperatur als Reakti­ onstemperatur für den Katalysator zu erhalten.

Ausgehend von der bekannten Abgasanlage gemäß der EP-03 89 466-A1 (s. dort insbesondere Fig. 2), liegt der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, für eine Zweitakt-Brennkraftma­ schine eine Abgasanlage besonders unaufwendiger Bauform zu schaffen, welche neben einem günstigen Motordrehmoment insbe­ sondere verbesserte Abgaswerte erbringt.

Diese Aufgabe wird entsprechend der Erfindung dadurch gelöst, daß für einen jeden Motorzylinder nur ein Resonator mit einem im wesentlichen unmittelbar an den Auslaßschlitz angeschlossenen Diffusorraum vorgesehen ist, daß der Resona­ tor über einen sich vom kreiszylindrischen Zwischenraum weg verjüngenden, koaxial zur Diffusorachse angeordneten, Konus­ raum an den Sammelbehälter angeschlossen ist, daß koaxial zur Sammelbehälter-Längsachse, zwischen dem kreiszylindrischen Anschlußraum und dem Sammelbehälter sich ein von letzterem weg verjüngender konischer Übergangsraum angeordnet ist, und das der Konuswinkel des Diffusorraums kleiner ist als der Ko­ nuswinkel des Konusraums.

Entsprechend der Erfindung wird - im Vergleich zum Be­ kannten - ein bedeutend geringerer Bauaufwand dadurch er­ zielt, daß der Diffusorraum im wesentlichen unmittelbar an den motorseitigen Auslaßschlitz angeschlossen ist. "Im we­ sentlichen" bedeutet hierbei, daß Anschlußelemente, wie bei­ spielsweise eine sogenannte Anschlußbrille, vorgesehen sind, um den jeweiligen Diffusorraum an den zugehörigen Auslaß­ schlitz anzuflanschen. Darüber hinaus benötigt die erfin­ dungsgemäße Abgasanlage pro Motorzylinder nur einen Resona­ tor.

Der erfindungsgemäße Resonator weist im Unterschied zu den Resonatoren gemäß den Fig. 2-8 der EP-03 89 466-A1 zuzüg­ lich einen sich zum Sammelbehälter hin verjüngenden konischen Übergangsraum auf. Derartige Gegenkonen sind an sich bekannt, wie Fig. 1 (dort als Hinweis auf den Stand der Technik) der EP-03 89 466-A1 im Zusammenhang mit einer - allerdings kataly­ satorlosen - Abgasanlage zeigt, die nicht die engere erfin­ dungsgemäße Gattung betrifft.

Entsprechend der Erfindung wirkt der Diffusionsraum auf das Abgas als Expansionskegel, an den sich der kreiszylindri­ sche Zwischenraum als eigentlicher Resonanzraum anschließt, welcher wiederum durch einen sich konisch verjüngenden Konus­ raum fortgesetzt ist.

Der Diffusorraum weist nach einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel einen Konuswinkel von 190 auf, während der Ko­ nusraum, einen Rückstoßkegel bildend, bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen Konuswinkel von 250 besitzt.

Von jenem Rückstoßkegel führt der Gasstrom in den Sam­ melbehälter kreiszylindrischen Querschnitts, welcher mit sei­ ner Längsmittelachse quer zur gemeinsamen Längsmittelachse von Diffusorraum, kreiszylindrischen Zwischenraum und Konus­ raum angeordnet ist.

Zusätzlich weist die erfindungsgemäße Abgasanlage zwi­ schen dem Sammelbehälter und dem zum Abgaskonverter (Katalysator) führenden kreiszylindrischen Anschlußraum einen konischen Übergangsraum auf. Dieser konische Übergangsraum besitzt einen sehr flachen Konuswinkel, der bei einem bevor­ zugten Ausführungsbeispiel etwa 70 beträgt.

Bei der erfindungsgemäßen kompakten Abgasanlage gelangt der etwa nach einer Sinusfunktion pulsierende Gasstrom (Oberwellen mit einer Druckerhöhung, Unterwellen mit einer Druckerniedrigung) zunächst in den Diffusorraum (Expansionskegel), dehnen sich dort aus und gelangen sodann über den kreiszylindrischen Zwischenraum (eigentlicher Reso­ nanzraum) zum Konusraum (Rückstoßkegel) mit gegenüber dem Diffusorraum kleinerem Konuswinkel. Durch jene Kombination wird erreicht, daß ein Teil der Gase, noch während der Kolben sich zum unteren Totpunkt bewegt und einen Teil des Auslaß­ schlitzes offen läßt, in den Zylinderraum hinein zurückgesto­ ßen wird. Hierdurch wird im Sinne einer besseren Füllung eine im Verhältnis zum Stand der Technik wesentlich vollständigere Nachverbrennung erzielt.

Innerhalb des Resonators beträgt die Gastemperatur un­ mittelbar nach dem Anlaßvorgang etwa 450-500°C. Innerhalb des Resonators tritt eine Verwirbelung, und damit eine inten­ sive Durchmischung der Gase, ein, welche sodann in den Sam­ melbehälter gelangen und dort (bei Betriebstemperatur) eine Temperatur von etwa 560-700° aufweisen. Mit dieser Temperatur wird eine zusätzliche Nachverbrennung der Kohlenwasserstoffe unter Einbeziehung der Gemischöle erreicht. Zudem reagiert im Sammelbehälter Kohlenmonoxyd teilweise zu Kohlendioxyd. Die Gastemperatur von 650-700°C bildet eine optimale Vorausset­ zung für den Betrieb des Katalysators.

Der konische Übergangsraum mit sehr kleinem Konuswinkel von ca. 7° verringert das Pulsieren des Abgases und trägt da­ mit erheblich zur Bildung eines für den Wirkungsgrad des Ka­ talysators günstigen rückstoßarmen Gasstromes bei.

Bei Betrieb der erfindungsgemäßen Abgasanlage konnte zugleich eine Erhöhung des Drehmoments über einen weiten Drehzahlbereich festgestellt werden.

Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus zusätzlichen Unteransprüchen.

Im Zusammenhang mit den Unteransprüchen ist besonders wichtig, daß das Volumenverhältnis von Diffusorraum zum kreis­ zylindrischen Zwischenraum und zum Konusraum etwa 7:8:6 be­ trägt. Gemeinsam mit weiteren Erfindungsmerkmalen, wonach das Volumenverhältnis des Gesamtvolumens der vorhandenen Resona­ toren zum Volumen des gemeinsamen Sammelbehälters etwa 1,4:1 bis etwa 1,5:1 beträgt und das Gesamtvolumen aus Resonatoren zuzüglich Sammelbehälter gleich, vorzugsweise aber größer, ist als der Gesamthubraum der Zweitakt-Brennkraftmaschine, wird eine Kalibrierung des Gasstroms erzielt, die für den Ka­ talysatorbetrieb optimal ist. D.h., es wird im Betrieb der Zweitakt-Brennkraftmaschine ständig ein Gasstrom bereitge­ stellt, mit welchem der Katalysator konstant in seinem bevor­ zugten Leistungsfeld arbeiten kann. Im Katalysator werden HC, CO und NO_x umgewandelt.

In den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbei­ spiel entsprechend der Erfindung näher dargestellt. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine mehr schematische Gesamtübersicht der erfin­ dungsgemäßen Abgasanlage,

Fig. 2 eine Teilansicht gemäß dem Ansichtspfeil II in Fig. 1 und

Fig. 3 einen Schnitt durch den erfindungswesentlichen Teil der Abgasanlage (hierbei ist der Katalysator nicht ge­ zeigt).

In Fig. 1 ist eine Abgasanlage einer Zweitakt-Brenn­ kraftmaschine, die grundsätzlich mit Fremdzündung oder Selbstzündung mit Kurbelgehäuse-Verdichtung oder mit Lade­ pumpe arbeiten kann, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 verse­ hen.

Ein brillenartiges Anschlußstück 11, welches gemäß Fig. 2 in Ansicht dargestellt ist, weist zwei Durchtrittsöffnungen 12 auf, welche von einer kehlnutartigen ringförmigen Einsenkung 13 zur Aufnahme des Anschlußendes 14 je eines insgesamt mit 15 bezeichneten Resonators umgeben sind.

Die beiden Resonatoren 15, je ein Resonator für einen Motorzylinder, sind an einen Sammelbehälter 16 angeschlossen, welcher wiederum über ein kreiszylindrisches Anschlußstück 17 und über einen Rohrkrümmer 18 mit einer insgesamt mit 19 be­ zeichneten Katalysatorbirne in gasleitender Verbindung steht. Ein nahezu S-förmig gekrümmtes Anschlußrohr 20 ist sodann mit einem Rohrflansch 32 an eine Schalldämpferanlage, gegebenen­ falls unter Zwischenschaltung einer Heizbirne, angeschlossen.

Aus Fig. 3 sind die Innenräume, insbesondere der Resona­ toren 15 und des Sammelbehälters 16, näher zu ersehen.

Das Anschlußende 14 bildet den anschlußseitigen Endbe­ reich eines Diffusors 21, der einen Diffusorraum 22 um­ schließt. Der Diffusorraum 22 führt von einem der jeweiligen Durchtrittsöffnung 12 analogen Querschnitt eines gerundeten Rechtecks (entsprechend den nicht dargestellten motorzylin­ derseitigen Auslaßschlitzen) über einen mit der Linie Ü ange­ deuteten Übergangsbereich in einen Kreiskegelbereich K. Der Konuswinkel a des Diffusorraums 22 beträgt 19°.

Unmittelbar an den Diffusor 21 schließt sich ein kreis­ zylindrisches Zwischenstück 23 an, welches einen kreiszylin­ drischen Zwischenraum 24 umschließt.

Unmittelbar an den kreiszylindrischen Zwischenraum 24 schließt sich, in Richtung auf den Sammelbehälter 16 verjün­ gend, ein Anschlußkonus 25 an, welcher einen Konusraum 26 um­ schließt.

Der Konusraum 26 geht unmittelbar in den kreiszylindri­ schen Innenraum 27 des Sammelbehälters 16 über, dessen an den Anschlußkonus 25 angrenzende, links in Fig. 3 dargestellte Stirnwand 28 in strömungsgünstiger Weise kreiskalottenartig ausgebildet ist.

An dem der Stirnwand 28 gegenüberliegenden anderen Ende des Sammelbehälters 16 schließt sich an den kreiszylindri­ schen Innenraum 27 ein Übergangskonus 29 an, welcher einen konischen Übergangsraum 30 umschließt.

Im Anschluß an den Übergangskonus 29 ist das kreiszylin­ drische Anschlußstück 17 mit seinem kreiszylindrischen An­ schlußraum 31 vorgesehen.

Der Konuswinkel b des Konusraums beträgt 25°, der Konus­ winkel c des konischen Übergangsraums 7°.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist besonders für eine Zweitakt-Brennkraftmaschine geeignet, welche mit einem Öl/Benzin-Gemisch 1:50 betrieben wird und nach dem bekannten Prinzip der Schnürle-Umkehrspülung arbeitet. Ein solcher zweizylindriger Zweitaktmotor weist einen Gesamthubraum von knapp 600 cm³ auf. Die Einzelvolumina der vorgenannten Räume der Abgasanlage gemäß Fig. 3 sind folgende:

Der mit 22 bezeichnete Diffusorraum weist ein Volumen von 65 cm³, der mit 24 bezeichnete kreiszylindrische Zwi­ schenraum 83 cm³, der mit 26 bezeichnete Konusraum 58 cm³, der kreiszylindrische Innenraum 27 des Sammelbehälters 287 cm³, der mit 30 bezeichnete konische Übergangsraum 51 cm³ und der mit 31 bezeichnete kreiszylindrische Anschlußraum 32 cm³ auf.

Jeder Resonator 15 besitzt demnach ein Volumen von 206 cm³, so daß beide Resonatoren 15 zuzüglich des Volumens des Sammelbehälters 16 ein Gesamtvolumen von 699 cm³ aufweisen. Daraus resultiert ein Volumenverhältnis Gesamtvolumen (aus den Resonatoren 15 und dem Innenraum 27 des Sammelbehälters 16): Gesamthubraum von 1,17:1.

Im Zusammenhang mit der vorbeschriebenen zweizylindrigen Zweitakt-Brennkraftmaschine wurden mit der dargestellten Ab­ gasanlage bei Betriebstemperatur (Heißtest) gemäß Euronorm ECE 15/04 die folgenden vorteilhaften Werte erreicht:
5,05 g HC (8 g)
3,93 g CO (30 g)
0,36 g NO_x (3,5 g).

Die Klammerwerte sind die von der Euronorm ECE 15/04 vorgeschriebenen höchstzulässigen Maximalwerte.

Die gemeinsame Mittellängsachse von Diffusorraum 22, Zwischenraum 24 und Konusraum 26 ist jeweils mit y bezeich­ net.

Die hauptsächliche Abgas-Strömungsrichtung ist durch die Pfeile g kenntlich gemacht.

Claims (12)

1. Abgasanlage für Zweitakt-Brennkraftmaschinen, mit mindestens einem Resonator, der einen mindestens mittelbar an den jeweiligen Motorzylinder-Auslaßschlitz angeschlossenen, sich konisch erweiternden Diffusorraum und einen an letzteren koaxial zur Diffusorachse angeschlossenen kreiszylindrischen Zwischenraum aufweist, welcher mindestens mittelbar in einen Sammelbehälter mündet, dessen Behälter-Längsachse quer zur Diffusorachse angeordnet ist und welcher mindestens mittelbar über einen kreiszylindrischen Anschlußraum in einen Abgaskon­ verter - Katalysator - mündet, dessen Auslaßseite an eine Schalldämpferanlage angeschlossen ist, dadurch gekennzeich­ net, daß für einen jeden Motorzylinder nur ein Resonator (15) mit einem im wesentlichen unmittelbar an den Auslaßschlitz angeschlossenen Diffusorraum (22) vorgesehen ist, daß der Re­ sonator (15) über einen sich vom kreiszylindrischen Zwischen­ raum (24) weg verjüngenden, koaxial zur Diffusorachse (y) an­ geordneten, Konusraum (26) an den Sammelbehälter (16) ange­ schlossen ist, daß, koaxial zur Sammelbehälter-Längsachse (x), zwischen dem kreiszylindrischen Anschlußraum (31) und dem Sammelbehälter (16) sich ein von letzterem weg verjüngen­ der konischer Übergangsraum (30) angeordnet ist, und daß der Konuswinkel (a) des Diffusorraums (22) kleiner ist als der Konuswinkel (b) des Konusraums (26).

2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Konuswinkel (a) des Diffusorraums (22) zum Konuswinkel (b) des Konusraums (26) etwa 0,7:1 bis etwa 0,8:1 beträgt.

3. Abgasanlage nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel (c) des konischen Übergangsraums (30) wesentlich kleiner ist als der Konuswin­ kel (b) des Konusraums (26).

4. Abgasanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Konuswinkel (b) des Konusraums (26) zum Konuswinkel (c) des konischen Übergangsraums (30) etwa 3,5:1 beträgt.

5. Abgasanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel (a) des Diffusor­ raums (22) etwa 19° beträgt.

6. Abgasanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel (b) des Konus­ raums (26) etwa 25° beträgt.

7. Abgasanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel (c) des konischen Übergangsraums etwa 7° beträgt.

8. Abgasanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das das Volumenverhältnis von Diffu­ sorraum (22) : kreiszylindrischer Zwischenraum (24) : Konus­ raum (26) etwa 7:8:6 beträgt.

9. Abgasanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenverhältnis des Gesamt­ volumens der vorhandenen Resonatoren (15) zum Volumen (bei 27) des gemeinsamen Sammelbehälters (16) etwa 1,4:1 bis etwa 1,5:1 beträgt.

10. Abgasanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtvolumen der vorhandenen Resonatoren (15) zuzüglich des Volumens (bei 27) des Sammel­ behälters (16) gleich, vorzugsweise aber größer, ist als der Gesamthubraum der Zweitakt-Brennkraftmaschine.

11. Abgasanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß das Volumenverhältnis von Gesamtvolumen der vorhan­ denen Resonatoren (15) zuzüglich des Volumens (bei 27) des Sammelbehälters (16) zum Gesamthubraum der Zweitakt-Brenn­ kraftmaschine etwa 1,1:1 bis etwa 1,2:1 beträgt.

12. Abgasanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dem kreiszylindrischen An­ schlußraum (31) diametral gegenüberliegende stirnseitige Ab­ schluß (28) des Sammelbehälters (16) an einen den Konusraum (26) umgebenen Anschlußkonus (25) angrenzt und kreiskalotten­ artig ausgebildet ist.