SE539038C2 - 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

Grenrör fór mottagning av avgaser från en flereylindrig fórbränningsmotorUPPFINNINGENS BAKGRUND OCH KÄND TEKNIK Föreliggande uppfinning avser ett grenrör for mottagning av avgaser från en flercylindrig förbränningsmotor enligt patentkravets 1 ingress.

Avgaser från flercylindriga forbränningsmotorer mottas vanligtvis i ett grenrör. Ettgrenrör innefattar grenledningar som mottar avgaser från förbränningsmotornscylindrar och en stamledning som mottar avgaserna från de respektivegrenledningarna. Då avgasventilerna i en cylinder öppnar strömmar avgasernainledningsvis ut i en grenledning med ett högt tryck som väsentligen är relaterat tillavgasernas tryck i cylindern efter att forbränningstakten just avslutats. Avgasernastryck i grenledningen under den resterande delen som avgasventilerna är öppna ärlägre och väsentligen relaterat till det arbete som kolven utför då den trycker utavgaserna i grenledningen från cylindern. Avgasventilerna i en cylinder är normaltöppna under hela avgastakten dvs. under en relativt stor del av en fyrtalctsrnotorsarbetscykel. Hos flercylindriga förbränningsmotorer är det vanligt att avgasventilernasöppningstider i olika cylinder överlappar varandra. Under sådana tillfällen leds avgaser ut i grenröret från flera cylindrar samtidigt.

Att leda ut avgaser från flera cylindrar samtidigt i ett gemensamt grenrör är inteokomplicerat. När avgasventilerna i en cylinder öppnar leds således avgaserna ut fiåncylindern med ett högt tryck i den anslutna grenledningen och stamledningen. Omavgaser samtidigt leds ut från en annan cylinder i en annan grenledning med ett lägretryck är det en uppenbar risk att avgaserna med det högre trycket tränger ned igrenledningen med det lägre avgastrycket. Därmed stiger trycket i denna grenledningoch det erfordras ett förhöjt pumparbete av kolven i cylindern för att mata utavgaserna. Det förhöjda pumparbetet resulterar i en ökad. bränsleförbrukning hosförbränningsrnotorn. Denna stöming av avgasflödet i ett grenrör kan benämnas överhörning. '10 Ett känt sätt att motverka denna störning är att förse stamledningen med förträngningari anslutning till grenledningarnas utlopp i stamledningen. Därmed erhåller avgasernaen förhöjd hastighet och ett reducerat statiskt tryck i anslutning till grenledningarnasutlopp i stamledningen. Avgasernas reducerade statiska tryck gör det möjligt att leda utavgaser från en grenledning med ett lägre tryck i stamledningen. Att utformastamledningen med forträngningar har emellertid nackdelen att avgasernaströrnningsförluster i starnledningen ökar.

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

Detta syfie uppnås med grenröret av det inledningsvis nämnda slaget, vilketkännetecknas av de särdrag som anges i patentkravets 1 kännetecknande del. Medhjälp av ett styrelement kan strömningsarean för avgaserna i stamledningen reduceraspå ett enkelt sätt i anslutning till den andra grenledningens utloppsöppning. Avgasernai stamledningen erhåller därmed en förhöjd hastighet och ett reducerat statiskt tryck ianslutning till den andra grenledningens utloppsöppning i stamledningen. Detta medföratt risken för att avgaser från stamledningen leds ned i den andra grenledningen ärväsentligen eliminerad även under tillfällen som avgasventilerna i den första cylindernöppnar samtidigt som avgasventilema i den andra cylindern är öppna. I och med detbehöver kolven i den andra cylindern inte tillföra något extra pumparbete för att mataut avgaserna från cylindern till den andra grenledningen och starnledningen vid sådanatillfällen. Styrelementet innefattar ett kantparti där avgasernas kontakt medstyrelementet upphör. Omedelbart nedströms kantpartiet skapas olrårilcoml-igtavlösningsvirvlar. Styrelementet innefattar således ett hål så att en del av avgasernakan ledas genom styrelementet till styrelementets läsida. Undertrycket påstyrelementets läsida reduceras därmed vilket resulterar i att avlösningsvirvlarnasstorlek reduceras och därmed avgasernas förlusteri starnledningen då de strömmar förbi styrelementet. Styrelementet' kan innefatta fler än ett hål.

Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning skjuter styrelementet in istamledningen så att den skapar en reducerad strömningsarea för avgaserna av storleksordningen l0-40 %. Genom en sådan reducering av avgasernas strömningsareakan avgasernas hastighet ökas markant och det statiska trycket sänkas till en nivå därrisken för överhörning är väsentligen eliminerad utan att avgasernasströmningsmotstånd då de passerar förbi styrelementet blir alltför stort. Styrelementetär med fördel arrangerat i en position så att det huvudsakligen reducerarströmningsarean för avgaserna på den sida av stamledningen där den andragrenledningens utloppsöppning är anordnad. Styrelementet är med fördel arrangeratväsentligen omedelbart uppströms utloppsöppningen i stamledningen med avseende påavgasernas strömningsriktning i stamledningen. Därmed kommer avgaserna istamledningen att strömma förbi den andra grenledningens utloppsöppni-ng på ettavstånd som definieras av styrelementets sträckning in i stamledningen, Därmedskapas även ett område nedströms styrelementet där avgaserna från den andragrenledningen kan ledas in i stamledningen. Ett sådant styrelcment motverkar även att avgaser från den andra grenledningen leds i en icke önskad riktning i stamledningen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning innefattarstyrelementet en första styryta som är anpassad att träffas av en del av avgaserna somströmmar i stamledningen, varvid den första styrytan har en lutning så att densuccessivt reducerar strömningsarean för avgaserna i anslutning till den andrautloppsöppningen. I och med att strömningsarean reduceras successivt kan avgasernasströmningsförluster i det strörnningsreducerande området hållas på en låg nivå.Nämnda hål kan ha en tvärsnittsarea som är 5-15 % av den första Styrytans area. Medett sådant hål kommer en relativt liten del av avgaserna som når styrelementet att ledasgenom detta till styrelernentets läsida. En sådan avgasmängd är dock i de flesta falltillräcklig för att reducera avgasvirvlarna som uppkommer nedströms styrelementet.Avgasflödet genom nämnda hål tillhandahåller även en förskjutning av avgasvirvlarnafrån styrelementet. Med en lämplig sådan förskjutning hamnar virvlarna i en positiondär de åtminstone delvis täcker över den andra grenledningens utloppsöppning. Riskenatt avgaser från stamledningen tränger ned i den andra grenledningen reduceras därmed ytterligare.

Enligt en annan föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning innefattarstyrelementet en andra styryta som är i anpassad att styra avgaserna då de leds in istamledningen från den andra utloppsöppningen, varvid den andra styrytan har enlutning som är väsentligen parallell med avgasernas strömningsriktning då de lämnarden andra grenledningen. Den andra grenledningen har med fördel en viss krökning i - anslutning till utloppsöppningen i stamledningen så att avgaserna som lämnar den andra grenledningen leds i en riktning som åtminstone delvis motsvarar avgasernasavsedda strömningsriktning i stamledningen. Då avgasventilerna i den andra cylindernöppnar strömmar avgaserna ut från den andra grenledningen och in i stamledningenmed en hög hastighet. Styrelementets andra styryta leder här in avgaserna istamledningen och i en önskad riktning Styrelementets andra styryta förhindrar därmedväsentligen att avgaserna strömmar i en felaktig riktning i stamledningen och in i enuppströms anordnad grenledning. I detta fall bildar den andra styrytan en vinkel medhålets sträckning så att väsentligen inga avgaser från den andra cylindern passerargenom hålet. Hålet i styrelementet gynnar således inte bildandet av en avgasström i fel riktning i stamledningen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning harstyrelernentet en väsentligen konstant väggtjocklek. I detta fall blir den första styrytanoch den andra styrytan väsentligen parallella. Ett sådant styrelement kan med fördel haen relativt enkel utformning. Styrelementet kan uppvisa en tunnare väggtjocklek änväggtjockleken i grenledningarna och stamledningen. Styrelementet kan utgöras av ettrörparti hos den andra grenledningen som skjuter in i stamledningen. Under entillverkningsprocess av grenröret kan detta rörparti föras in genom en öppning istamledningen tills en position i vilket det skjuter in en lämplig sträcka istamledningen varefier grenledningen och stamledningen förbinds med varandragenom svetsning eller annan fastmetod. Alternativt kan styrelernentet utgöras av enseparat enhet som fästs inuti stamledningen genom en lämplig fastmetod. Ett sådantseparat styrelement kan vara försedd med individuellt formade första och andra styrytor.

Enligt en annan föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning innefattargrenröret åtminstone tre grenledningar som leder avgaser från tre cylindrar tillstamledningen. Ju fler cylindrar hos en förbränningsmotor som är anslutna till enstamledning ju svårare är det att förhindra att öppningstiderna för avgasventilerna hostvå cylindrar överlappar varandra. Hos ett grenrör som mottar avgaser från fyracylindrar är det väsentligen omöjligt att förhindra att öppningstiderna föravgasventilerna hos olika cylindrar överlappar varandra.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGEN I det följ ande beskrivs, såsom exempel, föredragna utföringsforrner av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka Fig. 1 visar ett grenrör för mottagning av avgaser från en fyrcylindrigförbränningsmotor, Fig. 2 visar ett förbindningsoniråde mellan en stamledning och en grenledning hosgrenröret och Fig. 3 visar en snittvy av stamledningen i planet A-A i Fig. 2 DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AVUPPFINNINGEN Fig. 1 visar schematiskt en förbränningsmotor 1 med fyra cylindrar Za-d. Avgasernafrån förbränningsmotorns 1 cylindrar mottas i ett grenrör. Grenröret innefattar fyragrenledningar 3a-d som var och en mottar avgaser från en av de fyra cylindrarna 2a-d.Grenröret innefattar en stamledning 4 som mottar avgaser från grenledningarna 3a-d.Stamledningen 4 övergår i en avgasledning 5 som kan leda avgaserna till en turbin hosett turboaggregat. Avgasflödet från förbränningsmotorns respektive cylindrar 2a-dstyrs av åtminstone en avgasventil som är förskjutbart anordnad mellan ett stängt ochett öppet tillstånd. Otta är var och en av cylindrarna 2a-d försedda med tvåavgasventiler för att underlätta avgasflödet från cylindrarna.

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

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

Vid tillfällen som avgasventilerna hos två cylindrar är öppna samtidigt kanavgasflödena 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 avgasventilerna hos en annan cylinder redan är öppna. I sådana tillfällen kan avgasernamed det högre trycket strömma ned i grenledningen som leder ut avgaser med det lägretrycket. Därmed stiger trycket i grenledningen och det erfordras ett förhöjt pumparbeteav kolven i denna cylinder for att pumpa ut avgaserna. Ett sådant förhöjt purnparbeteleder till att förbränningsmotorn 1 erhåller en högre bränsleförbrukning. För attundvika denna störning av avgasflödet i grenröret, som kan benämnas överhörning, harett styrelement 7 anordnats i var och en av de förbindningsornräden därgrenledningarna 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 istamledningen 4. Styrelementet 7 är anordnat i stamledningen 4 i en positionomedelbart uppströrns grenledningens utloppsöppriing 301 i stamledningen 4 medavseende på avgasernas avsedda strömningsriktning i stamledningen 4. Styrelementet7 har ett fritt kantparti 7d som skjuter in en sträcka i stamledningen 4 så att det skapasen reducerad strömningsarea för avgaserna i stamledningen 4 i anslutning tillförbindningsorrlrådet. Styrelementet 7 kan reducera strömningsarean i stamledningen 4av storleksordningen 10-40 %. Styrelementet 7 kan, exempelvis, reduceraströmningsarean med 30 %. Styrelement 7 har en placering så att den huvudsakligenreducerar strömningsarean för avgaserna på den sida av stamledningen 4 därgrenledningen 3c har sin utloppsöppning 3c1. Styrelementet 7 har en första styryta 7asom är anpassad att träffas av en del av avgaserna som strömmar i stamledningen 4.Den första styrytan 7a uppvisar en vinkel mot avgasernas strömningsriktning istamledningen 4 så att de erhåller en relativt mjuk avlänkning då de träffarStyrelementet 7. Styrelementet 7 reducerar således avgasernas strörnningsarea iförbindningsområdet mellan stamledningen 4 och grenledningen 3c. Avgasernaistamledningen 4 erhåller därmed en förhöjd strömningshastighet iförbindningsorrrrådet 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 frångrenledningen 3c i stamledningen 4. Grenledningen 3c har en krökning uppströmsutloppsöppningen 3c1 så att avgaserna som leds genom utloppsöppningen 301 erhålleren strömningsriktning som åtminstone delvis motsvarar avgasernas huvudsakligaströmningsriktning i stamledningen 4. Den andra styrytan 7b vidhåller väsentligen avgasernas fortsatta strömningsriktning ett stycke in i stamledningen 4. Styrelementet 7 utgörs av ett relativt tunnväggigt element med en väsentligen konstant väggtj ocklek.Den första styrytan 7a och' den andra styrytan 7b är därmed parallella. I detta fall utgörstyrelementet 7 ett ändparti av ett rör som bildar grenledningen 3c. Alternativt kanstyrelementet 7 utgöras av en separat enhet som fast på lämpligt sätt iförbindningsområdet mellan stamledningen 4 och grenledningen 3c.

Styrelementet 7 innefattar ett genomgående hål 7c som har en storlek så att en liten delav 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 7c äri detta fall är runt och attdet har en väsentligen central placering på den första styrytan 3a. Hålet 7c har entvärsnittarea som utgör 5 -15 %, företrädesvis cirka 10 % av den första styrytans Saarea. Hålet 3c bildar en kort strömningskanal som i detta fall har en väsentligenparallell sträckning med avgasernas huvudsakliga strömningsriktning i stamledningen4. Alternativt kan hålet ha en sträckning som bildar en väsentligen rät vinkel med denförsta styrytan 7a och den andra styrytan 7b.

Vid tillfällen som avgasventilerna i cylindern 2c är öppna och då avgasventilerna inågon av cylindrarna 2a, 2b öppnar erhålls ett momentant avgasflöde från två cylindrari grenröret. Avgasströmmen från cylindrarna 2a, 2b leds ut i stamledningen 4 med etthögt tryck i en position uppströms grenledningen 3c. Då avgaserna i stamledningen 4når förbindningsområdet med grenledningen 3c träffar en del av avgasströmmen denförsta styrytan 7a som reducerar avgasernas strömningsarea vilket resulterar i attavgaserna erhåller en ökad hastighet och ett minskat statiskt tryck iförbindningsorrrrådet. Då avgaserna lämnar styrytan 7 bildas en avgasvirvel 8 i ettområde omedelbart nedströms kantpartiet 7d_ En mindre del av avgasströmmen istamledningen 4 leds genom hålet 7c i styrelementet 7. Avgasströmrnen genom hålet7c höjer trycket på styrelementets 7 läsida vilket reduceras avgasvirvelns storlek ochdärmed avgasernas strömningsförluster i starnledningen 4. Samtidigt förskjuteravgasströmmen genom hålet 7c avgasvirveln 8 ett stycke i en nedströms riktning frånstyrelementet 7. Därmed hamnar avgasvirveln 8 i en position väsentligen ovanförgrenlednings 3c utloppsöppning 3c1 i stamledningen 4 och i synnerhet ovanför ennedströms belägen del av utloppsöppningen 301 där det är störst risk att avgaser istarnledningen 4 tränger ned i grenledningen 3c. Då avgasvirveln 8 är i denna positionförhindrar den således på ett mycket effektivt sätt att avgasströmrnen i stamledningen 4 leds ned i grenledningen 3c.

Om istället avgasventilerna i cylindern 2G öppnar vid ett tillfälle då avgasventilernahos någon av de uppströms anordnade Gylindrarna 2a, b är öppna strömmar avgasermed ett högt tryck ut från cylindern 2G och når stamledningen 4 via grenledningen 30.Styrelementets 7 andra styryta 7b leder in avgaserna i stamledningen 4 i den avseddaströmningsriktningen i stamledningen 4. Därmed förhindras avgaserna att strömma ien felaktig riktning i stamledningen 4. Även om avgasventilerna hos en av cylindrarna2a, 2b redan är öppna då avgasventilema hos cylindern 2G öppnar förhindrar såledesstyrelementet 7 att avgaserna från cylindern 2c når de uppströms anordnadegrenledningarna 3a, 3b. Efiersom avgaserna strömmar längs den andra styrytan 7bmed en hög hastighet i en riktning som klart avviker från strömningsriktningen genomhålet 7G erhålls i detta fall väsentligen inget avgasflöde genom hålet 7c.

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

Claims (10)

1. Grenrör för mottagning av avgaser från en flercylindrig förbränningsmotor (1),varvid grenröret en innefattar en stamledning (4), en första grenledning (3a-c) som äranpassade att mottaga avgaser från en första cylinder (2a-c) och leda in avgasema istamledningen (4) via en första utloppsöppning (3a1-3c1), och åtminstone en andragrenledning 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 (3b1-3dl) somär belägen nedströms den första utloppsöppningen med avseende på avgasernasavsedda strömningsriktningen i stamledningen (4), varvid stamledningen (4) innefattaren reducerad strömningsarea för avgasema i stamledningen (4) i anslutning till denandra utloppsöppningen (3b1-3d1), kärmetecknat av att grenröret innefattar ettstyrelement (7) som innefattar en första styryta (7a) med ett fritt kantparti (7d) somskjuter in i stamledningen (4) så att den reducerar strömningsarean för avgaserna ianslutning till den andra utloppsöppningen (3b1-3d1) så att en del av avgasema träffarstyrytan (7a) och att en resterande del av avgaserna leds förbi styrelementet (7) utan attträffa styrytan (7a) och att styrelementet (7) innefattar åtminstone ett genomgående hål(7c) som har en storlek så att en del av avgaserna i stamledningen (4) som träffarstyrytan (7a) leds genom nämnda hål (7c).

2. Grenrör enligt krav 1, kännetecknad av att den första styrytan (7a) skjuter in istamledningen så att den reducerar strömningsarean för avgaserna i stamledningen avstorleksordningen 10-40 %.

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

4. Grenrör enligt något av föregående krav, kännetecknad av att den första styrytan(7a) har en lutning så att den successivt reducerar strömningsarean för avgasema i strömningsriktningen i anslutning till den andra utloppsöppningen (3b1-3d1).

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

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

7. Grenrör enligt något av föregående krav kärmetecknad av att styrelementet (7) har en väsentligen konstant väggtj ocklek.

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

9. Grenrör enligt något av föregående krav, kännetecknad 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 stamledningen (4)-