SE1150971A1 - Grenrör för mottagning av avgaser från en flercylindrig förbränningsmotor - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning avser ett grenrör for mottagning av avgaser från enflercylindrig forbränningsrnotor (l). Grenroret en innefattar en starnledning (4), enförsta grenledning 3a-c) som är anpassade att mottaga avgaser från en första cylinder(Za-c) och leda in avgaserna i stamledningen (4) via en forsta utloppsöppning (3a1-30,1), och åtminstone en andra grenledning 3b-d) som är anpassade att mottaga avgaserfi'ån en andra cylinder (2b-d) och leda in avgaserna i stamledningen (4) via en andrautloppsoppning (3b1-3d1) som är belägen nedströms den forsta utloppsoppningen medavseende på avgasernas avsedda strömningsriktning i stamledningen (4), Grenröretinnefattar ett styrelement (7) som skjuter in i stamledningen (4) så att den skapar enreducerad stromningsarea for avgaserna i anslutning till den andra utloppsöppningen(3b1-3d1) och att styrelementet (7) innefattar åtminstone ett genomgående hål (70) somhar en storlek så att en del av avgaserna i stamledningen (4) som når styrelementet (7) leds genom nämnda hål (7c). (rig. 2)

Description

15 20 25 30 35 Ett känt sätt att motverka denna störning är att förse stamledningen med förträngningar i anslutning till grenledningarnas utlopp i stamledningen. Därmed erhåller avgasema en förhöjd hastighet och ett reducerat statiskt tryck i anslutning till grenledriingarnas utlopp i stamledningen. Avgasernas reducerade statiska tryck gör det möjligt att leda ut avgaser från en grenledning med ett lägre tryck i stamledningen. Att utforma stamledningen med förträngningar har emellertid nackdelen att avgaserna strömningsförluster i stamledningen ökar.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNTNGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett grenrör för mottagning av avgaser från en förbränningsmotor där risken för den typ" av störning av avgasflödet som benämns överhörning är väsentligen eliminerad samtidigt som avgasernas strömningsförluster i stamledningen kan hållas på en låg nivå.

Detta syfte uppnås med grenröret av det inledningsvis nämnda slaget, vilket kännetecknas av de särdrag som anges i patentkravets 1 kännetecknande del. Med hjälp av ett styrelement kan strömningsarean för avgaserna i stamledningen reduceras på ett enkelt sätt i anslutning till den andra grenledningens utloppsöppning. Avgaserna i stamledningen erhåller därmed en förhöjd hastighet och ett reducerat statiskt tryck i anslutning till den andra grenledningens utloppsöppning i stamledningen. Detta medför att risken för att avgaser från stamledningen leds ned i den andra grenledningen är väsentligen eliminerad även under tillfällen som avgasventilerna i den första cylindern öppnar samtidigt som avgasventilerna i den andra cylindern är öppna. I och med det behöver kolven i den andra cylindern inte tillföra något extra pumparbete för att mata ut avgaserna från cylindern till den andra grenledningen och stamledningen vid sådana tillfällen. Styrelementet innefattar ett lcantparti där avgasernas kontakt med styrelementet upphör. Omedelbart nedströms kantpartiet skapas olrårikornl-igt avlösningsvirvlar. Styrelementet innefattar således ett hål så att en del av avgaserna kan ledas genom styrelementet till styrelementets läsida. Undertrycket på styrelementets läsida reduceras därmed vilket resulterar i att avlösningsvirvlarnas storlek reduceras och därmed avgasernas förluster i stamledningen då de strömmar förbi styrelementet. Styrelementet kan innefatta fler än ett hål.

Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning skjuter styrelementet in i stamledningen så att den skapar en reducerad strömningsarea för avgaserna av 10 15 20 25 30 35 storleksordningen 10-40 %. Genom en sådan reducering av avgasernas strömningsarea kan avgasernas hastighet ökas markant och det statiska trycket sänkas till en nivå där risken for överhörning är väsentligen eliminerad utan att avgasernas strömningsmotstånd då de passerar förbi styrelementet blir alltför stort. Styrelementet är med fördel arrangerat i en position så att det huvudsakligen reducerar strömningsarean for avgaserna på den sida av starnledningen där den andra grenledningens utloppsöppning är anordnad. Styrelementet är med fördel arrangerat väsentligen omedelbart uppströms utloppsöppningen i stamledningen med avseende på avgasernas strömningsriktning i stamledningen. Därmed kommer avgaserna i stamledningen att strömma forbi den andra grenledningens utloppsöppning på ett avstånd som definieras av styrelementets sträckning in i stamledningen, Därmed skapas även ett område nedströms styrelementet där avgaserna från den andra grenledningen kan ledas in i stamledningen. Ett sådant styrelement motverkar även att avgaser fiån den andra grenledningen leds i en icke önskad riktning i stamledningen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning innefattar styrelementet en forsta styryta som är anpassad att träffas av en del av avgaserna som strömmar i stamledningen, varvid den första styrytan har en lutning så att den successivt reducerar strömningsarean för avgaserna i anslutning till den andra utloppsöppningen. I och med att strömningsarean reduceras successivt kan avgasernas strörnningsförluster i det strörnningsreducerande området hållas på en låg nivå.

Nämnda hål kan ha en tvärsnittsarea som är 5-15 % av den forsta styrytans area. Med ett sådant häl kommer en relativt liten del av avgaserna som når styrelernentet att ledas genom detta till styrelernentets läsida. En sådan avgasmängd är dock i de flesta fall tillräcklig för att reducera avgasvirvlarna som uppkommer nedströms styrelementet.

Avgasflodet genom nämnda hål tillhandahåller även en förskjutning av avgasvirvlarna från styrelementet. Med en lämplig sådan förskjutning hamnar virvlarna i en position där de åtminstone delvis täcker över den andra grenledningens utloppsöppning. Risken att avgaser ñån stamledningen tränger ned i den andra grenledningen reduceras därmed ytterligare.

Enligt en annan foredragen utföringsform av föreliggande uppfinning innefattar styrelementet en andra styryta som är i anpassad att styra avgaserna då de leds in i stamledningen från den andra utloppsöppningen, varvid den andra styrytan har en lutning som är väsentligen parallell med avgasernas strömningsriktning då de lämnar den andra grenledningen. Den andra grenledningen har med fördel en viss krökning i 10 15 20 25 30 35 - anslutning till utloppsöppningen i stamledningen så att avgaserna som lämnar den andra grenledningen leds i en riktning som åtminstone delvis motsvarar avgasernas avsedda strömningsriktning i starnledningen. Då avgasventilerna i den andra cylindern öppnar strömmar avgaserna ut från den andra grenledningen och in i stamledningen med en hög hastighet. Styrelementets andra styryta leder här in avgaserna i stamledningen och i en önskad riktning Styrelementets andra styryta förhindrar därmed väsentligen att avgaserna strömmar i en felaktig riktning i stamledningen och in i en uppströms anordnad grenledning. I detta fall bildar den andra styrytan en vinkel med hålets sträckning så att väsentligen inga avgaser från den andra cylindern passerar genom hålet. Hålet i styrelementet gynnar således inte bildandet av en avgasström i fel riktning i stamledningen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning har styrelementet en väsentligen konstant väggtjoclclek. I detta fall blir den första styrytan och den andra styrytan väsentligen parallella. Ett sådant styrelement kan med fördel ha en relativt enkel utformning. Styrelernentet kan uppvisa en tunnare väggtjocklek än väggtjockleken i grenledningarna och starnledningen. Styrelementet kan utgöras av ett rörparti hos den andra grenledningen som skjuter in i stamledningen. Under en tillverkningsprocess av grenröret kan detta rörparti föras in genom en öppning i stamledningen tills en position i vilket det skjuter in en lämplig sträcka i stamledningen varefter grenledningen och stamledningen förbinds med varandra genom svetsning eller annan fastrnetod. Alternativt kan styrelementet utgöras av en separat enhet som fästs inuti stamledningen genom en lämplig fastmetod. Ett sådant separat styrelement kan vara försedd med individuellt formade första och andra styrytor.

Enligt en annan föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning innefattar grenröret åtminstone tre grenledningar som leder avgaser från tre cylindrar till stamledningen. Ju fler cylindrar hos en förbränningsmotor som är anslutna till en stamledning ju svårare är det att förhindra att öppningstiderna för avgasventilerna hos två cylindrar överlappar varandra. Hos ett grenrör som mottar avgaser från fyra cylindrar är det väsentligen omöjligt att förhindra att öppningstiderna för avgasventilerna hos olika cylindrar överlappar varandra.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGEN 10 15 20 25 30 35 I det följ ande beskrivs, såsom exempel, föredragna utföringsformer av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka Fig. 1 visar ett grenrör för mottagning av avgaser från en fyrcylindrig förbränningsmotor, Fig. 2 visar ett forbindningsområde mellan en stamledning och en grenledning hos grenröret och Fig. 3 visar en snittvy av stamledningen i planet A-A i Fig. 2 DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN Fig. 1 visar schematiskt en förbränningsmotor 1 med fyra cylindrar 2a-d. Avgaserna från förbränningsmotorns 1 cylindrar mottas i ett grenrör. Grenröret innefattar fyra grenledningar 3a-d som var och en mottar avgaser från en av de fyra cylindrar-na Za-d.

Grenröret innefattar en stamledning 4 som mottar avgaser fiån grenledningarna 3a-d.

Stamledningen 4 övergår i en avgasledning 5 som kan leda avgaserna till en turbin hos ett turboaggregat. Avgasflödet från förbränningsmotorns respektive cylindrar Za-d styrs av åtminstone en avgasventil som är förskjutbart anordnad mellan ett stängt och ett öppet tillstånd. Ofta är var och en av cylindrarna 2a-d försedda med två avgasventiler för att underlätta avgasflödet från cylindrama.

I samband med att avgasventilerna öppnar leds ett initialt avgasflöde med ett högt tryck ut från cylindern 2a-d via den respektive grenledningen 3a-d till stamledningen 4.

Under den resterande tiden som avgasventilerna i en cylinder är öppna matas avgaserna ut med ett lägre tryck i grenledningen 3a-d. Detta lägre tryck definieras väsentligen av kolvens rörelser i cylindern 2a~d då den trycker ut avgaserna från cylindern i grenledningen Ba-d. Då ett grenrör mottar avgaser från fyra cylindrar Za-d är det väsentligen omöjligt att undvika att öppningstiderna för avgasventilerna hos de respektive cylindrarnas 2a-d överlappar varandra. Grenröret kommer således att mottaga avgaser från fier än en cylinder vid vissa tillfällen.

Vid tillfallen som avgasventilerna hos två cylindrar är öppna samtidigt kan avgasflödena från de respektive cylindrarna påverka varandra. Det är i synnerhet fallet vid tillfällen som avgaser från två cylindrar leds ut i grenröret med markant olika tryck.

Detta sker vid tillfällen som avloppsventilerna hos en cylinder öppnar samtidigt som 10 15 20 25 30 35 avgasventilerna hos en annan cylinder redan är öppna. I sådana tillfällen kan avgaserna med det högre trycket strömma ned i grenledningen som leder ut avgaser med det lägre trycket. Därmed stiger trycket i grenledningen och det erfordras ett förhöjt pumparbete av kolven i denna cylinder för att pumpa ut avgaserna. Ett sådant förhöjt pumparbete leder till att förbränningsmotorn 1 erhåller en högre bränsleförbrukning. För att undvika denna störning av avgasflödet i grenröret, som kan benämnas överhörning, har ett styrelement 7 anordnats i var och en av de förbindningsområden där grenledningarna 3b-d har utloppsöppningar 3b1-3d1 som leder ut avgaser i stamledningen 4.

Fig. 2 visar mer i detalj förbindningsorrirådet där grenledningen 3c leder ut avgaser i stamledningen 4. Styrelementet 7 är anordnat i stamledriingen 4 i en position omedelbart uppströrns grenledningens utloppsöppning 30,1 i stamledningen 4 med avseende på avgasernas avsedda strömningsriktning i stamledningen 4. Styrelementet 7 har ett fritt kantparti 7d som skjuter in en sträcka i stamledningen 4 så att det skapas en reducerad strömningsarea för avgaserna i stamledningen 4 i anslutning till förbindningsorrlrådet. Styrelementet 7 kan reducera strömningsarean i stamledningen 4 av storleksordningen 10-40 %. Styrelementet 7 kan, exempelvis, reducera strömningsarean med 30 %. Styrelement 7 har en placering så att den huvudsakligen reducerar strömningsarean för avgaserna på den sida av stamledningen 4 där grenledningen 3c har sin utloppsöppning 301. Styrelementet 7 har en första styryta 7a som är anpassad att träffas av en del av avgaserna som strömmar i stamledningen 4.

Den första styrytan 7a uppvisar en vinkel mot avgasernas strömningsriktning i stamledningen 4 så att de erhåller en relativt mjuk avlänkning då de träffar Styrelementet 7. Styrelementet 7 reducerar således avgasernas strörnningsarea i förbindningsornrådet mellan stamledningen 4 och grenledningen 3c. Avgasernai stamledningen 4 erhåller därmed en förhöjd strömningshastighet i förbindningsorrirådet och ett reducerat statiskt tryck vilket minskar avgasernas benägenhet att strömma ned i grenledningen 3c.

Styrelementet har en andra styryta 7b som har till uppgift att leda in avgaserna fiån grenledningen 3c i stamledningen 4. Grenledningen 3:: har en krökning uppströrns utloppsöppningen 3c1 så att avgaserna som leds genom utloppsöppningen 3c1 erhåller en strömningsriktning som åtminstone delvis motsvarar avgasernas huvudsakliga strömningsriktning i stamledningen 4. Den andra styrytan 'lb vidhåller väsentligen avgasernas fortsatta strömningsriktning ett stycke in i stamledningen 4. Styrelementet 10 15 20 25 30 35 7 utgörs av ett relativt tunnväggigt element med en väsentligen konstant väggtjocklek.

Den första styrytan 7a och' den andra styrytan 7b är därmed parallella. I detta fall utgör styrelementet 7 ett ändparti av ett rör som bildar grenledningen 30. Alternativt kan styrelementet 7 utgöras av en separat enhet som fast på lämpligt sätti förbindningsområdet mellan stamledningen 4 och grenledningen 3c.

Styrelementet 7 innefattar ett genomgående hål 7c som har en storlek så att en liten del av avgaserna som strömmar genom stamledningen 4 passerar genom nämnda hål 7c.

Fig. 3 visar en tvärsnittsvy i planet A-A i F ig. 2. Hålet "lc äri detta fall är runt och att det har en väsentligen central placering på den första styrytan 3a. Hålet 7c har en tvärsnittarea som utgör 5 -15 %, företrädesvis cirka 10 % av den första styrytans 3a area. Hålet 3c bildar en kort strömningskanal som i detta fall har en väsentligen parallell sträckning med avgasemas huvudsakliga strömningsriktning i stamledningen 4. Alternativt kan hålet ha en sträckning som bildar en väsentligen rät vinkel med den första styrytan 7a och den andra styrytan 7b.

Vid tillfällen som avgasventilerna i cylindern 2c är öppna och då avgasventilerna i någon av cylindrarna 2a, 2b öppnar erhålls ett momentant avgasflöde från två cylindrar i grenröret. Avgasströmrnen från cylindrarna 2a, 2b leds ut i stamledningen 4 med ett högt tryck i en position uppströms grenledningen 30. Då avgaserna i stamledningen 4 når förbindningsornrådet med grenledningen 3c träffar en del av avgasströmmen den första styrytan 7a som reducerar avgasernas strömningsarea vilket resulterar i att avgaserna erhåller en ökad hastighet och ett minskat statiskt tryck i förbindningsorrirådet. Då avgaserna lämnar styrytan 7 bildas en ävgasvirvel 8 i ett område omedelbart nedströms kantpartiet 7d. En mindre del av avgasströmmen i stamledningen 4 leds genom hålet 7 c i styrelementet 7. Avgasströmrnen genom hålet 7c höjer trycket på styrelernentets 7 läsida vilket reduceras avgasvirvelns storlek och därmed avgasernas strömningsförluster i stamledningen 4. Samtidigt förskjuter avgasströmmen genom hålet 7c avgasvirveln 8 ett stycke i en nedströms riktning från styrelementet 7. Därmed hamnar avgasvirveln 8 i en position väsentligen ovanför grenlednings 3c utloppsöppning 3c1 i stamledningen 4 och i synnerhet ovanför en nedströms belägen del av utloppsöppningen 3c1 där det är störst risk att avgaser i stamledningen 4 tränger ned i grenledningen 3c. Då avgasvirveln 8 är i denna position förhindrar den således på ett mycket effektivt sätt att avgasströmmen i stamledningen 4 leds ned i grenledningen 3c. 10 15 20 Om istället avgasventilerna i cylindern 2c öppnar vid ett tillfälle då avgasventilerna hos någon av de uppströms anordnade cylindrarna 2a, b är öppna strömmar avgaser med ett högt tryck ut från cylindern 2c och når stamledningen 4 via grenledningen 3c.

Styrelementets 7 andra styryta 7b leder in avgaserna i stamledningen 4 i den avsedda strömningsriktningen i stamledningen 4. Därmed förhindras avgaserna att strömma i en felaktig riktning i stamledningen 4. Även om avgasventilerna hos en av cylindrarna 2a, 2b redan är öppna då avgasventilerna hos cylindern 2c öppnar förhindrar således styrelementet 7 att avgaserna från cylindern 2c når de uppströms anordnade grenledningarna 3a, 3b_ Efiersom avgaserna strömmar längs den andra styrytan 7b med en hög hastighet i en riktning som klart avviker från strömningsriktningen genom hålet 7c erhålls i detta fall väsentligen inget avgasflöde genom hålet 7c.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till den ovan beskrivna utföringsformen utan kan varieras fritt inom patentkravens ramar. Styrelementets form kan, exempelvis, varieras liksom antalet hål i styrelementet, hålets form och placering. Likaså kan antalet cylindrar som via grenrör ansluter till en stamledning variera och i sin enklaste form har motorn endast två cylindrar som ansluter till en gemensam stamledning. Vid exempelvis VS-motorer är det vanligt att motorn har två starnledningar vilka på vardera sida om motorn ansluter till var sin cylinderbank. I en sådan konfiguration är det lämpligt att vardera stamledning är utformad i enlighet med beskrivningsexemplet OVEIII.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 Patentkrav

1. Grenrör för mottagning av avgaser från en flercylindrig förbränningsmotor (l), varvid grenröret en innefattar en stamledning (4), en första grenledning (3 a-c) som är anpassade att mottaga avgaser från en första cylinder (2a-c) och leda in avgaserna i stamledningen (4) via en första utloppsöppning (3 a1-3 1:1), och åtminstone en andra grenledning 3b-d) som är anpassade att mottaga avgaser från en andra cylinder (2b-d) och leda in avgaserna i stamledningen (4) via en andra utloppsöppning (3 b1-3 dl) som är belägen nedströms den första utloppsöppningen med avseende på avgasernas avsedda strömningsriktningen i stamledningen (4), varvid stamledningen (4) innefattar en reducerad strömningsarea för avgaserna i stamledningen (4) i anslutning till den andra utloppsöppningen (3b1-3d1), kärmetecknat av att grenröret innefattar ett i styrelement (7) som skjuter in i stamledningen (4) så att den skapar nämnda reducerade strömningsarea för avgaserna i anslutning till den andra utloppsöppningen (3b1-3d1) och att styrelementet (7) innefattar åtminstone ett genomgående hål (7a) som har en storlek så att en del av avgaserna i stamledningen (4) som når styrelementet (7) leds genom nämnda hål (70).

2. Grenrör enligt krav l, kännetecknad av att styrelementet (7) skjuter in i stamledningen så att den skapar en reducerad strörnningsarea för avgaserna av storleksordningen 10-40 %.

3. Grenrör enligt krav 1 eller 2, kånnetecknad av att styrelementet (7) är arrangerad i en position så att det huvudsakligen reduceras strömningsarean för avgaserna på den sida av stamledningen (4) där den andra utloppsöppningen (3b1-3d1) är anordnad.

4. Grenrör enligt något av föregående krav, kännetecknad av att styrelementet (7) innefattar en första styryta (7a) som är anpassad att träffas av en del av avgaserna som strömmar i stamledningen (4), varvid den första styrytan (7a) har en lutning så att den successivt reducerar strömningsarean för avgaserna i strömningsriktningen i anslutning till den andra utloppsöppriingen (3b1-3 d1).

5. Grenrör enligt något av föregående krav, kännetecknad av att nämnda hål (70) har en tvärsnittsarea som är 5-15 % av den första styrytans (7 a) area. 10 15 20 10

6. Grenrör enligt något av föregående krav, känneteeknad av att styrelementet (7) innefattar en andra styryta (7b) som är i anpassad att styra avgaserna då de leds ini stamledningen (4) från den andra utloppsöppningen (3b1-3d1), varvid den andra styrytan (7b) har en lutning som är väsentligen parallell med avgasernas strömningsriktning då de lämnar den andra grenledningen (3b-3 d).

7. Grenrör enligt något av föregående krav kännetecknad av att styrelementet (7) har en väsentligen konstant våggtjöckiek.

8. Grenrör enligt något av föregående krav, kånnetecknad av att styrelementet (7) utgörs av ett rörparti hös den andra grenledningen (3b-d) som skjuter in i stamledningen (4).

9. Grenrör enligt något av föregående krav, kånnetecknad av att styrelementet (7) utgörs en separat enhet som är fast inuti stamledningen (4),

10. Grenrör enligt något av föregående krav, kännetecknad av att den innefattar åtminstone tre grenledningar som leder avgaser från tre cylindrar till starnledningen (4)