DE4416739C2 - Vorrichtung zur Schallreduzierung bei Verbrennungsmotoren - Google Patents
Vorrichtung zur Schallreduzierung bei VerbrennungsmotorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Schallreduzierung in einer Abgasleitung eines
Verbrennungsmotors eines
Kraftrads mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1.
Zur Schallreduzierung oder Geräuschdämmung im Abgasstrom
von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen werden in der
Auspuffanlage üblicherweise Abgasschalldämpfer mit
Reflexions- und Absorptionsfiltern verwendet, wobei die
entsprechend der Motordrehzahlen wechselnden Drücke des
Abgasstromes geglättet werden, ohne dem Abgasstrom eine
übermäßig leistungsmindernde Drosselung entgegenzustellen.
Ein solcher Abgasschalldämpfer benötigt ein bestimmtes
Volumen, das beispielsweise bei einem Schalldämpfer eines
Kraftrades die etwa 5 bis 8fache Größe des Hubraumes des
Verbrennungsmotors aufweist. Ein derartig großvolumiger
Abgasschalldämpfer kann jedoch aus bestimmten Gründen, z.
B. wegen fehlenden Einbauraumes, zu hohen Gewichts oder aus
optischen Gründen (Schalldämpfer wird vom Kunden am
Kraftrad wegen seiner Größe nicht akzeptiert) nicht zum
Einsatz kommen. Wenn das Auspuffvolumen verringert wird,
ist jedoch der gesetzlich geforderte reduzierte Schallpegel
ohne Leistungsverlust nicht erzielbar, d. h. bei
reduziertem Schallpegel sinkt die Leistung des Motors durch
den dafür erforderlichen zusätzlichen Einsatz von
Reflexions- und Absorptionsmaterial.
In der MTZ (Motortechnische Zeitschrift) 53 (1992) 7/8, S.
356-361, ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Schall
reduzierung in einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors
eines Kraftfahrzeugs offenbart, bei der eine in der Abgas
leitung angeordnete Abgasklappe mittels einer Unterdruckdose
pneumatisch geschaltet wird. Ein elektronisches Steuergerät
erfaßt die Motordrehzahl und die Motorlast, z. B. über die
Stellung der Drosselklappe, und steuert zusammen mit dem
Saugrohrunterdruck das elektromagnetische Ventil, das
wiederum die Unterdruckdose betätigt.
Aus der DE 42 29 299 C1 ist eine Drosselklappenanordnung für
eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine bekannt geworden,
die eine über einen Betätigungsschaft und einen Betätigungs
hebel verschwenkbare Klappenscheibe aufweist. Bei der
Montage der Klappenscheibe wird diese mit dem Betätigungs
schaft durch eine schmale, längliche Öffnung in der Wand der
Abgasleitung in diese eingeführt. Ein den Betätigungsschaft
lagernder Flansch verschließt die Öffnung nach der Montage.
Mit der Klappenscheibe, die der Steuerung des Abgasstromes
für einen abschaltbaren Abgasturbolader dient, kann die
Abgasleitung dicht abgesperrt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Auspuffanlage für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, die
vorgegebene Schallpegel bei reduziertem Auspuff- bzw.
Abgasschalldämpfervolumen einhält und dabei die Leistung
des Verbrennungsmotors nicht oder nur geringfügig mindert.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur
Schallreduzierung im Abgasstrom in einer Abgasleitung eines
Verbrennungsmotors eines
Kraftrads,
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird der im
Abgasstrom übertragene Schall an einer Stelle in der
Auspuffanlage, an der die Querschnittsöffnung jeweils
soweit reduziert wird, daß der einem jeweiligen
Betriebszustand des Motors entsprechende Abgasstrom diese
reduzierte Querschnittsöffnung ohne weitgehende
leistungsmindernde Drosselung passieren kann, teilweise
reflektiert, was gegenüber der unreflektierten
Schallausbreitung bei voller Querschnittsöffnung zu einer
deutlichen Schallreduzierung führt. Daher können
Abgasanlagen, die diese Vorrichtung enthalten, mit
kleinerem Schalldämpfer gebaut werden, wobei dennoch
gesetzliche Schallgrenzwerte eingehalten werden können.
Für den praktischen Betrieb ist es erforderlich, daß die
Querschnittsöffnung eine festgelegte minimale Größe
aufweist, die für den Abgasstrom im Leerlauf oder bei
Teillast benötigt wird, und sie kontinuierlich bis hin zu
einer maximalen Größe, d. h. dem ungedrosselten Querschnitt
geöffnet werden kann. Der relevante Steuerbereich, in dem
der Querschnitt vom minimalen zum maximalen Querschnitt
geöffnet wird, liegt im unteren bis mittleren
Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors, in dem eine
wesentliche Schallreduzierung erzielt wird.
Zur Steuerung der Verstelleinrichtung können
Betriebsparameter verwendet werden, die z. B. mittels einer
Motormanagementeinrichtung erfaßt und verwaltet werden und
über Kennfelder des Motorbetriebs als Steuerbefehle an die
Verstelleinrichtung geleitet werden.
Eine besonders einfach zu nutzende und dennoch
charakteristische Steuergröße ist der Abgasdruck, der in
der Abgasleitung im Bereich einer verstellbaren Blende oder
Abgasdrosselklappe, die ein konstruktiv einfaches Mittel
zum Verändern der Größe der Querschnittsfläche darstellt,
vorhanden ist. Als Verstelleinrichtung dient vorzugsweise
ein Druckzylinder, in dem ein federbelasteter Kolben
verschiebbar aufgenommen ist. Der Druckzylinder mit Kolben
ist durch seinen einfachen und robusten Aufbau für einen
Betrieb unter Wärme- und Schwingungsbelastung an der
Auspuffanlage vorteilhaft einsetzbar. Durch eine
Druckleitung wird dann die Abgasleitung mit dem
Druckzylinder verbunden, so daß der Druck im Abgasstrom der
Abgasleitung in einen Druckraum des Druckzylinders
übertragen wird, wo er auf den Kolben und über ein
Umlenkgestänge auf die Drosselklappe zu ihrer Verstellung
wirkt.
Der Anschluß der Druckleitung kann am Abgasrohr vor der
Drosselklappe positioniert sein. Hier tritt zwar eine
erhöhte Pulsation im Abgasstrom auf, da Schwingungen durch
das Öffnen und Schließen der Auslaßventile oder
Auslaßschlitze im Abgasstrom vom Motor aus übertragen
werden, so daß ein welliger Druckverlauf vor allem im
unteren, zur Steuerung relevanten Drehzahlbereich erzeugt
wird, was zu Schwingungen in der Abgasdrosselklappe führen
kann. Von Vorteil ist jedoch das höhere Druckniveau zum
Ansteuern der Vorrichtung, da ein größerer Druck eine
größere Ansteuerkraft im Druckzylinder erzeugt, so daß ein
kleiner Querschnitt bzw. Durchmesser des Druckzylinders,
der einen geringeren Bauraum benötig, ausreichend ist.
Wird die Druckleitung hinter der Drosselklappe
angeschlossen, so ist zwar die Pulsation im Abgasstrom
geringer, so daß über die Druckleitung und die
Verstelleinrichtung weniger Schwingungen auf die
Drosselklappe übertragen werden, jedoch ist dann der Druck
im Abgas hinter der Drosselklappe niedriger, so daß ein
größerer Querschnitt des Druckzylinders erforderlich ist.
Die Vorrichtung kann vorteilhaft in eine
Austauschabgasanlage für ein Motorrad eingebaut sein, die
optischen Gesichtspunkten folgend nur geringe Größe
aufweist. Jedoch ist sie unter Wahrung der Vorteile auch
bei Personenkraftwagen und dergleichen einsetzbar, wobei
sie von der Art des Verbrennungsmotors unabhängig ist. Sie
muß lediglich an unterschiedliche Druck- und
Schwingungsbedingungen - beispielsweise bei Zwei- und
Viertaktmotoren - in den Auspuffanlagen angepaßt werden.
Bei einem Kraftrad wird die Vorrichtung vorzugsweise hinter
einem Sammlerrohr und vor einem Hauptschalldämpfer
eingebaut.
Neben der deutlichen Schall- bzw. Geräuschminderung wird
durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich eine
Leistungs- und Drehmomentsteigerung aufgrund der
geänderten, positiv beeinflußten Schwingungsvorgänge des
Abgases im Abgasrohr erzielt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 im Querschnitt ein Abgasrohr mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung bei geschlossener
Drosselklappe;
Fig. 2 eine Ansicht gemäß Fig. 1 bei geöffneter
Drosselklappe;
Fig. 3 eine Draufsicht der erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
Fig. 4 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen
Vorrichtung; und
Fig. 5 eine weitere Seitenansicht (Ansicht der Fig. 3
von rechts) der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In Fig. 1 ist ein Abgasrohr 1 dargestellt, das eine
Drosselklappeneinrichtung 2 und eine mit dieser verbundene
Verstelleinrichtung 3 aufweist. Das Abgasrohr 1 ist in die
Auspuffanlage eines Motorrades am Ende eines Sammlerrohres
und vor einem Schalldämpfer mit zwei Befestigungsschellen
(nicht dargestellt) eingebaut. Die Drosselklappen
einrichtung 2 enthält eine Drosselklappe 4, die mittels
Schrauben 5 an einer Welle 6 befestigt ist. Die Welle 6
erstreckt sich radial durch das Abgasrohr 1 und ist mit
ihren beiden durch jeweilige Ausnehmungen im Abgasrohr 1
führenden Enden 7, 8 in einem Lagerring 9 schwenkbar
gelagert, der das Abgasrohr 1 außenseitig umfassend
angebracht ist.
Das Abgasrohr 1 hat im Bereich der Welle 6 einen runden
Querschnitt und die Drosselklappe 4 weist einen dem
Innendurchmesser des Abgasrohres 1 entsprechenden
Durchmesser auf. Jedoch kann der Querschnitt des
Abgasrohres 1 beispielsweise auch ovalförmig sein, wobei
dann die Drosselklappe 4 dieser Form angepaßt ist.
An dem der Verstelleinrichtung 3 benachbarten Ende 8 der
Welle 6 ist ein Hebel 29 befestigt. Durch Verschwenken des
Hebels 29 um die Längsachse der Welle 6 kann die
Drosselklappe 4 aus der geschlossenen Stellung (Fig. 1), in
der sie senkrecht zur Längsachse 13 des Abgasrohres 1
steht, in die vollständig geöffnete Stellung (Fig. 2), in
der sie parallel zur Längsachse 13 des Abgasrohres 1
angeordnet ist, sowie in beliebige Zwischenstellungen
verstellt werden.
Die Verstelleinrichtung 3 zur Verstellung der Drosselklappe
4 enthält einen Druckzylinder 10, der mittels eines
Zylinderhalters 11 am Außenbereich des Abgasrohres 1,
beispielsweise an einer abgeflachten Stelle, derart
befestigt ist, daß seine Längsachse 12 in etwa parallel zur
Längsachse 13 des Abgasrohres 1 angeordnet ist. Eine
Öffnung 14 des Druckzylinders 10 ist dem Ende 8 der Welle 6
der Drosselklappe 4 zugewandt. In dem Druckzylinder 10 ist
ein Kolben 15 längsverschiebbar aufgenommen und begrenzt
mit dem Druckzylinder 10 einen Druckraum 16 mit
veränderbarem Volumen.
Im Druckzylinder 10 ist des weiteren eine Druck- oder
Rückholfeder 17 angebracht, die sich einerseits an einem
Sicherungsring 18, der innerhalb der Öffnung 14 des
Druckzylinders 10 befestigt ist, und andererseits an der
Innenseite des Kolbenbodens 19 abstützt, so daß sie den
Kolben 15 in Richtung auf eine Verkleinerung des
Druckraumes 16 (nach rechts in Fig. 1 und 2) vorspannt.
Ein Umlenkgestänge 20 verbindet die Drosselklappe 4 über
den Hebel 29 und die Verstelleinrichtung 3 über den Kolben
15. Das Umlenkgestänge 20 enthält eine Umlenkstange 21, die
beispielsweise ein Gewindestift ist, der an seinen beiden
Enden jeweils ein aufgeschraubtes Gelenkstück 22 bzw. 23
aufweist. Die Umlenkstange 21 ist einerseits über das
Gelenkstück 22 mit einem am Hebel 29 befestigten
Kugelzapfen 24 und andererseits über das Gelenkstück 23 mit
einem am Kolbenboden 19 befestigten Kugelzapfen 25
verbunden. Der gegenseitige Abstand der Gelenkstücke 22, 23
und somit die wirksame Länge des Umlenkgestänges 20 ist
durch Verdrehen der Umlenkstange 21 relativ zu den
Gelenkstücken 22, 23 mit daraus folgender Längenänderung
einstellbar.
In einer abgewandelten Ausführungsform kann das
Umlenkgestänge eine Zahnstange sein, die vom Kolben 15
angetrieben wird und mit einem Ritzel, das an der Welle 6
befestigt ist, zusammenwirkt.
Eine Druckleitung 26 verbindet einen Druckaufnehmer 27
(siehe Fig. 3 bis 5), der am Abgasrohr 1 in Richtung des
Abgasstromes (durch einen Pfeil in Fig. 1 dargestellt) vor
der Drosselklappe 4 angeordnet ist und über eine Bohrung
(nicht dargestellt) im Abgasrohr 1 den dort herrschenden
Abgas- bzw. Staudruck erfaßt, mit einer Druckeinleitung 28
in den Druckzylinder 10, die im oberen Bereich des
Druckzylinders 10 in den Druckraum 16 mündet, so daß der im
Abgasstrom des Abgasrohres 1 herrschende Druck über die
Druckleitung 26 in den Druckraum 16 der Verstelleinrichtung
3 übertragen wird. Alternativ dazu kann der Druckaufnehmer
26 im Abgasrohr 1 in Strömungsrichtung hinter der
Drosselklappe 4 angeordnet sein.
In der Ausgangsstellung (Fig. 1.), z. B. im Leerlauf oder
bei niedriger Drehzahl des Motors (bei Teillast), wenn der
Abgasdruck im Abgasrohr 1 noch niedrig ist und dieser durch
die Druckleitung 26 übertragene Druck im Druckraum 16 eine
Kraft erzeugt, die geringer ist als die Kraft der
Druckfeder 17, verschiebt die Druckfeder 17 den Kolben 15
in seine obere Endstellung, die durch die gegen einen
Anschlag angelegte, geschlossene Drosselklappe 4 und über
das verbindende Umlenkgestänge 20 festgelegt ist. Der
dieser Leerlauf- oder Teillastdrehzahl entsprechende
Abgasstrom kann die geschlossene Drosselklappe 4 durch eine
Öffnung 30 passieren, die beispielsweise im Randbereich der
Drosselklappe 4 angeordnet und halbkreisförmig oder ähnlich
geformt sein kann.
Bei Veränderung bzw. weiterer Erhöhung der Motordrehzahl
und des Lastzustandes verändert sich auch der Abgasdruck im
Abgasrohr 1 und somit die auf den Kolben 15 wirkende
Druckkraft, wobei in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen
der Kraft des Druckes im Druckraum 16 und der Druckfeder 17
der Kolben 15 verschoben wird und er über das
Umlenkgestänge 20 entsprechend dem Abgasdruck die
Drosselklappe 4 bis hin zu ihrer vollständig geöffneten,
parallel zur Längsachse 13 des Abgasrohres 1 ausgerichteten
Stellung öffnet. In dieser maximalen Öffnungsstellung liegt
der Kolben 15 am Sicherungsring 18 an. Jedoch kann die
Drosselklappe 4 auch durch einen Anschlag begrenzt werden,
so daß der Kolben 15 nicht am Sicherungsring 18 anliegt.
Bei verringertem Abgasdruck schließt dann die Druckfeder 17
die Drosselklappe 4 durch Verschieben des Kolbens 15 um
einen entsprechenden Winkel.
Der Durchmesser des Kolbens 15 (zur Variation der erzeugten
Druckkraft), die Kennlinie der Druckfeder 17 (linear oder
progressiv) und die Größe der Öffnung 30 können für jeden
Einsatzfall, d. h. für unterschiedliche Motore
(Einzylinder-, Mehrzylindermotore, 2- oder 4-Taktmotore)
und Auspuffanlagen (Kraftfahrzeuge, Krafträder) derart
aufeinander abgestimmt werden, daß die Drosselklappe 4 bis
zu einem festgelegten unteren Druck im Abgasrohr 1, der
einer bestimmten unteren Motordrehzahl bei einem bestimmten
Lastzustand (beispielsweise die 2 bis 3fache
Leerlaufdrehzahl) entspricht, geschlossen bleibt, wodurch
eine deutliche Schallreduzierung im Abgasstrom erzielt
wird. Bei Erhöhung des Abgasdruckes wird die Drosselklappe
4 kontinuierlich geöffnet, bis sie bei einem festgelegten
oberen Druck, der einer bestimmten oberen Motordrehzahl
entspricht, die z. B. bei etwa 60 bis 80% der Drehzahl bei
maximaler Leistung liegt, vollständig geöffnet ist.
Bei der Abstimmung der Vorrichtung ist auch die Länge der
Druckleitung 26 zu berücksichtigen. Diese wirkt als
Zeitglied, das eine Verzögerung des Ansprechens der
Verstelleinrichtung 3 bewirkt und dadurch die
Leistungscharakteristik des Motors bei der
Geräuschreduzierung positiv beeinflußt. Zusätzlich kann in
der Druckleitung 26 ein Drosselelement eingebaut sein,
durch das im Falle eines einstellbaren Drosselelements die
einstellbare Verzögerungswirkung nachreguliert werden kann.
Ein Zusatzvolumen kann an die Druckleitung 26 angeschlossen
sein, um der Verstelleinrichtung 3 eine bestimmte Trägheit
zu geben, um eventuelle Einflüsse auf Schaltvorgänge bzw.
Lastwechselsprünge des Verbrennungsmotors zu dämpfen.
Statt der Verstelleinrichtung 3 zur Betätigung der
Drosselklappe 4 durch den Abgasdruck vor oder hinter der
Drosselklappe 4 (oder vor und hinter der Drosselklappe bei
zwei Druckaufnehmern zum Ausgleichen von Druckschwankungen)
kann auch ein elektrischer Stellmotor verwendet werden, der
in Abhängigkeit von der Gaseinlaß-Drosselklappenposition
(dem Gasschieber) oder von einem Motormanagement, das die
zur Steuerung des Verbrennungsmotors wesentlichen
Parameters erfaßt und regelt, die Drosselklappe 4 betätigt.
Ein variables Zeitglied wird durch eine elektronische
Schaltung gebildet.
Statt mit dem Abgasdruck in dem Abgasrohr 1 kann die
Verstelleinrichtung 3 durch den Unterdruck im Ansaugkrümmer
über eine Unterdruckdose gesteuert werden, da der
Unterdruck ebenso von der Motordrehzahl und dem Lastzustand
abhängig ist und daher als charakteristische Steuergröße
verwendbar ist. Die Wirkungsweise der Verstelleinrichtung
ist in diesem Fall an den Unterdruck als Steuergröße
angepaßt (z. B. Zugfeder statt Druckfeder 17).
Statt des Druckzylinders 10 mit dem Kolben 15 kann zur
Erzeugung der Steuerbewegung ein Membranzylinder verwendet
werden, dem über die Druckleitung 26 der Steuerdruck aus
dem Abgasrohr 1 zugeführt wird.
Claims (10)
1. Vorrichtung zur Schallreduzierung in einer Abgasleitung
eines Verbrennungsmotors eines Kraftrads,
mit einem Hauptschalldämpfer, mit einem Drosselorgan zum
Verändern der Größe einer Querschnittsöffnung in der Abgas
leitung und mit einer pneumatischen Verstelleinrichtung zum
Betätigen des Drosselorgans, wobei die Verstelleinrichtung
das Drosselorgan in Abhängigkeit von der Druckgröße in der
Abgasleitung betätigt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Drosselorgan (4) in einem Austauschabgasrohr (1) vor
dem Hauptschalldämpfer angebracht ist und auf die Auspuff
anlage durch die voreingestellte minimale Größe der Quer
schnittsöffnung (30) im Drosselorgan (4) einsatzspezifisch
abgestimmt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verstelleinrichtung (3) einen Druckzylinder (10) mit
einem Kolben (15) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verstelleinrichtung (3) einen Membranzylinder
aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Druckleitung (26) die Abgasleitung
(1) mit dem Druckzylinder (10) bzw. dem Membranzylinder
verbindet.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (4) zum Verändern der
Größe der Querschnittsöffnung eine in der Abgasleitung (1)
angeordnete Blende ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (4) zum Verändern der
Größe der Querschnittsöffnung eine in der Abgasleitung (1)
angeordnete Drosselklappe (4) ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Drosselklappe (4) um eine Mittelachse schwenkbar
ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Druckleitung (26) vor der
Drosselklappe (4) in die Abgasleitung (1) mündet.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (3) über ein
Umlenkgestänge (20) mit der Drosselklappe (4) verbunden ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (3) über eine
Zahnstange mit Ritzel mit der Drosselklappe (4) verbunden
ist.
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
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