DE102014209313A1

DE102014209313A1 - Abgasanlage mit variablen Abgaswegen

Info

Publication number: DE102014209313A1
Application number: DE102014209313.9A
Authority: DE
Inventors: Dieter Hable; Peter Hebel; Timo Kresse; Franz Matzke-Neumair; Harald Mitschke
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2015-11-19
Also published as: EP3143263A1; US10221737B2; WO2015172910A1; EP3143263B1; CN105980678B; CN105980678A; US20170058732A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Abgasanlage für Verbrennungsmotoren mit einem Abgasstrang, der für einen Abgasstrom mindestens einen ersten Strömungspfad und einen zweiten Strömungspfad aufweist, wobei sich der erste und zweite Strömungspfad strömungstechnisch getrennt voneinander von einem Vorschalldämpfer zu mindestens einem Endschalldämpfer erstrecken und der erste Strömungspfad über eine ansteuerbare Klappe motordrehzahlabhängig kontinuierlich verschließbar ist, wobei der Abgasstrom bei geschlossener Klappe durch den zweiten Strömungspfad geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für Verbrennungsmotoren vorzugsweise bei Motorrädern mit einem Abgasstrang, der für einen Abgasstrom einen ersten Strömungspfad und einen zweiten Strömungspfad aufweist, wobei sich der erste und zweite Strömungspfad strömungstechnisch getrennt voneinander von einem Vorschalldämpfer (20) zu einem Endschalldämpfer (6) erstrecken.
Die erlaubte Geräuschentwicklung von Motorrädern wird durch den Gesetzgeber immer stärker beschränkt. Die Prüfung der Lautstärke eines Motorrads erfolgt sowohl im Stand als auch durch einen Vorbeifahrttest während das Motorrad beschleunigt. Besonders leistungsstarke Motorräder unterliegen dabei der Problematik, dass zur Unterschreitung der gesetzlichen Grenzwerte eine starke Beschränkung der Abgasströmung erfolgen muss, die zu einer beträchtlichen Leistungsreduzierung und einer unerwünschten Beschränkung des Motordrehmoments führen.
Aus dem Stand der Technik sind zur Erreichung von hohen Leistungen bei hohen Drehzahlen und gleichzeitig reduzierter Lautstärke bei geringen Drehzahlen Abgasanlagen mit einer im Strömungspfad angeordneten Klappe bekannt, die den Abgasstrom drehzahlabhängig beschränkt. Dabei ist jedoch nachteilig, dass stets der gesamte Abgasstrom beeinflusst wird und die Strömung bei teilweise geöffneter Klappe starke Verwirbelungen erfährt, wodurch die Drehmomentkurve negativ beeinflusst wird. Auch muss zur Erreichung der zukünftigen Geräuschgrenzwerte der Abgasstrom im Drehzahlbereich der Geräuschmessung derart stark beschränkt werden, dass die gewünschte Leistung nicht mehr erreicht würde.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Abgasanlage für leistungsstarke Motorräder bereit zu stellen, deren Akustik die gesetzlichen Anforderungen erfüllt und, die gleichzeitig über das gesamte Drehzahlband die gewünschte Leistungs- und Drehmomentkurve liefert.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1.
Dabei wird eine Abgasanlage mit einem Abgasstrang vorgesehen, der für einen Abgasstrom mindestens einen ersten Strömungspfad und einen zweiten Strömungspfad aufweist, wobei sich der erste und zweite Strömungspfad strömungstechnisch getrennt voneinander von einem Vorschalldämpfer zu einem Endschalldämpfer erstrecken und der erste Strömungspfad über eine ansteuerbare Klappe motordrehzahlabhängig kontinuierlich verschließbar ist, wobei der Abgasstrom bei geschlossener Klappe durch den zweiten Strömungspfad strömt.
Erfindungsgemäß wird somit vorgesehen, zwei Strömungspfade für den Abgasstrom bereitzustellen, wobei drehzahlabhängig der eine oder der andere bzw. teilweise auch beide durchströmt werden. Bei niedrigen Drehzahlen, beispielweise unter 5000 U/min, wird die Klappe im ersten Strömungspfad geschlossen, so dass der Abgasstrom aus dem Vorschalldämpfer durch den zweiten Strömungspfad von einer Klappe unbeeinflusst und mit optimaler Strömung zu dem Endschalldämpfer strömt. Dabei werden eine Durchströmmasse und eine Durchströmungsgeschwindigkeit des Abgases erreicht, die eine ausreichende Leistung und ein ausreichendes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich sicherstellt. Gleichzeitig ist die Geräuschentwicklung ausreichend gering, dass die gesetzlichen Anforderungen erfüllt werden.
Bei weiter steigender Drehzahl öffnet sich die Klappe kontinuierlich, so dass das Abgas aus dem Vorschalldämpfer auch durch den ersten Strömungspfad strömt. Bei hohen Drehzahlen und hoher Leistungsabgabe ist die Klappe vollständig geöffnet und der Abgasstrom durchströmt im Wesentlichen den ersten Strömungsweg. Ein kleiner Teil strömt zusätzlich durch den zweiten Strömungsweg. Über die Steuerung der Klappe ist die Geräuschentwicklung unmittelbar beeinflussbar, wobei stets ein unbeschränktes Durchströmen durch den zweiten Strömungsweg bereitgestellt ist. Es ist somit möglich, eine Aufteilung der Strömungspfade in einen akustikoptimierten Pfad bei geringen Drehzahlen und einen leistungsoptimierten Pfad für hohe Drehzahlen zu erreichen.
Als eine Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Strömungsquerschnittsfläche des ersten, für hohe Leistungen ausgelegten Strömungspfads größer ist wie eine Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Strömungspfads.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung verlaufen der erste und zweite Strömungspfad zwischen Vor- und Endschalldämpfer voneinander getrennt und nebeneinander angeordnet. In einer weiteren Ausführung der Erfindung verlaufen der erste und zweite Strömungspfad koaxial ineinander, wobei der zweite Strömungspfad den ersten Strömungspfad beabstandet umgibt und der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Strömungspfad die Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Strömungspfads bildet. Die Strömungspfade werden üblicherweise durch Rohre gebildet, so dass der erste Strömungspfad als ein Innenrohr in einem größeren Außenrohr (zweiter Strömungspfad) realisiert werden kann. Der Abstand zwischen der Außenwand des Innenrohres und der Innenwand des Außenrohres bestimmt die Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Strömungspfades. Der Innendurchmesser des Innenrohres bestimmt die Strömungsquerschnittsfläche des ersten Strömungspfades. Bei einer Ausführung mit voneinander getrennt und nebeneinander angeordneten Strömungspfaden können entsprechende Rohre nebeneinander, vorzugsweise parallel, verbaut werden.
Die Abgasanlage umfasst den Endschalldämpfer, in den sich der erste und zweite Strömungspfad hinein erstrecken, wobei in einer Ausführung der Erfindung der erste Strömungspfad den Endschalldämpfer in Strömungsrichtung vollständig bis zu seinem Auslass hin durchdringt. Die Abgasführung verläuft somit im Bereich hoher Drehzahlen unmittelbar durch den ersten Strömungspfad bis zum Auslass.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Strömungspfad in dem Endschalldämpfer in einer Kammer endet, die eine gegenüber dem zweiten Strömungspfad schlagartig vergrößerte Strömungsquerschnittsfläche bereitstellt. Die vergrößerte Strömungsquerschnittsfläche wird beispielsweise durch eine großvolumige Kammer in dem Endschalldämpfer realisiert, durch die das Abgas des zweiten Strömungspfades strömt. Im Fall der Lösung mit Innenrohr im Außenrohr erstreckt sich das Innenrohr (erster Strömungspfad) bis zum Auslass und wird von dem Volumen des Endschalldämpfers umgeben, das gegenüber dem Außenrohr (zweiter Strömungsweg) deutlich zunimmt. Bei einer Lösung mit nebeneinander angeordneten Strömungspfaden ist in dem Endschalldämpfer ein Bereich neben dem ersten Strömungspfad vorgesehen, der die Volumenvergrößerung in Form einer Kammer bereitstellt.
In einer günstigen Ausführung der Erfindung zeichnet sich die erfindungsgemäße Abgasanlage dadurch aus, dass der erste Strömungspfad in dem Endschalldämpfer mit der Kammer strömungsverbunden ist. Dies kann in einer bevorzugten Ausführung dadurch erzielt werden, dass der erste Strömungspfad innerhalb des Endschalldämpfers perforiert oder geschlitzt ausgebildet ist. Bei Verwendung eines Rohres als ersten Strömungspfad wird hierbei beispielsweise die Außenwandfläche mit einer Vielzahl von Löchern oder Schlitzen versehen, so dass das Abgas aus der Kammer im Endschalldämpfer in den ersten Strömungspfad hinein und aus dem Auslass hinaus strömt. Die Löcher bzw. Schlitze werden in einer Ausführung der Erfindung über die gesamte Umfangsfläche vorgehsehen, so dass in das den ersten Strömungspfad bildende Rohr über eine für die Wirksamkeit ausgelegte Länge im Endschalldämpfer Abgas einströmen kann.
In einer Ausführung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass der Endschalldämpfer in Strömungsrichtung durch ein Trennelement, beispielsweise ein Wandelement, unterteilt ist, wobei in einem stromaufwärtigen ersten Abschnitt die Kammer und in einem stromabwärtigen, an den Auslass angrenzenden zweiten Abschnitt ein Dämmmittel vorgesehen sind und das Dämmmittel den ersten Strömungspfad umgibt. Die Dämmung des dem Auslass angrenzenden Bereichs ermöglicht eine weitere Abschirmung und definierte Reduzierung der Geräuschentwicklung. Über die Größe des ersten und zweiten Abschnitts kann die Geräuschentwicklung nochmals beeinflusst werden, wobei eine günstige Aufteilung darin liegt, dass der erste Abschnitt in einer bestimmten Ausführung Zweidrittel und der zweite Abschnitt ein Drittel der Gesamtlänge des Endschalldämpfers bestimmten. Als Dämmmittel eignet sich eine herkömmliche Dämmwolle.
Auch umfasst die Erfindung eine Abgasanlage, bei der beiden Strömungspfade von dem Vorschalldämpfer zu zwei getrennten Endschalldämpfern in Strömungsrichtung verlaufen und einer der beiden Strömungspfade über die Klappe verschließbar bzw. drosselbar ist.
Die Erfindung schützt ferner ein Motorrad mit einer Abgasanlage mit einer beliebigen Kombination der oben dargestellten Merkmale, soweit dies technisch möglich ist.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
1 eine Abgasanlage mit parallelem ersten und zweiten Strömungspfad angeschlossen an einem Vorschalldämpfer;
2 die Fortsetzung der Abgasanlage aus 1 Bereich des Endschalldämpfers;
3 eine alternative Ausführung der Abgasanlage mit koaxialem ersten und zweiten Strömungspfad.
Gleiche Bezugszeichen benennen gleiche Teile in allen Ansichten.
1 zeigt in einer teilweise geschnittenen, perspektivischen Darstellung einer Abgasanlage 1 in einer ersten Ausführungsform mit separaten parallelen und jeweils als Rohr ausgebildeten ersten und zweiten Strömungspfaden 3, 4. Der zweite Strömungspfad 4 ist durch ein dünneres Rohr mit gegenüber dem Rohr des ersten Strömungspfads 3 geringerer Strömungsquerschnittsfläche gebildet. Beide Strömungspfade 3, 4 erstrecken sich aus dem Vorschalldämpfer 20 und enden in dem Endschalldämpfer 6 (siehe 2). Der erste Strömungspfad 3 weist im Inneren eine auf herkömmliche Weise ansteuerbare Klappe 5 auf, mittels der motordrehzahl- und/oder lastabhängig die Strömungsfläche des ersten Strömungspfads 3 kontinuierlich verschließbar ist. Bei geschlossener Klappe 5 strömt der Abgasstrom aus dem Vorschalldämpfer 20 im Wesentlichen ausschließlich durch den zweiten Strömungspfad 4 zu dem Endschalldämpfer 6. Natürlich dichtet die Klappe 5 den ersten Strömungspfads 3 nicht vollständig ab, die Beschränkung reicht jedoch leicht aus, dass der wesentliche Anteil des Abgasstroms durch den zweiten Strömungspfad 4 geführt wird. Über Löcher 21 bzw. eine Perforation der Außenwände sind die beiden Strömungspfade 3, 4 im Vorschalldämpfer 20 miteinander strömungstechnisch verbunden. Der Vorschalldämpfer 20 wirkt dabei im Wesentlichen als Reflexionsschalldämpfer.
In dem Endschalldämpfer 6 gemäß 2 erstreckt sich der erste Strömungspfad 3 in Abgas-Strömungsrichtung vollständig bis zu dem Auslass 7. Der zweite Strömungspfad 4 endet in einer Kammer 8, die eine gegenüber dem zweiten Strömungspfad 4 schlagartig vergrößerte Strömungsquerschnittsfläche bereitstellt. Diese vergrößerte Strömungsquerschnittsfläche wird dadurch erzielt, dass der Endschalldämpfer 6 einen Durchmesser aufweist, der größer ist als die Summe der Durchmesser des ersten und zweiten Strömungspfads 3, 4 und die Kammer 8 durch den Raum im Endschalldämpfer 6 gebildet ist, der sich in Verlängerung des zweiten Strömungspfades 4 und um den ersten Strömungspfad 3 herum erstreckt. Ferner erweitert sich in der gezeigten Ausführung der Durchmesser zum Auslass 7 hin. Innerhalb des Endschalldämpfers 6 ist der zweite Strömungspfad 4 mit der Kammer 8 über eine perforierte vollumfängliche Ausbildung des ersten Strömungspfades 3 (Rohres) strömungsverbunden. Nach der schlagartigen Expansion des Abgases des zweiten Strömungspfades 4 in der Kammer 8 strömt das Abgas über die Perforation in den ersten Strömungspfad 3 hinein und zum Auslass 7. Der Endschalldämpfer 6 ist in Abgas-Strömungsrichtung durch eine Trennwand 9 unterteilt, so dass ein stromaufwärtiger erster Abschnitt 10 und ein stromabwärtiger, an den Auslass 7 angrenzender zweiter Abschnitt 11 gebildet ist. Der erste Abschnitt 10 ist in der gezeigten Ausführung in Strömungsrichtung gesehen doppelt so lang wie der zweite Abschnitt 11. Im stromabwärtigen zweiten Abschnitt 11 ist Dämmwolle vorgesehen, die den ersten Strömungspfad umgibt und die Geräuschbildung am Auslass reduziert. Über die Position der Trennwand 9 kann die Größe der Kammer 8 bestimmt werden.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Abgasanlage 1 in perspektivischer Darstellung. Der erste und zweite Strömungspfad 3, 4 sind als koaxiale ineinander angeordnete Rohre gebildet, so dass der zweite Strömungspfad 4 den ersten Strömungspfad 3 beabstandet umgibt, und der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Strömungspfad 3, 4 die Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Strömungspfads 4 bildet. Der erste und zweite Strömungspfad 3, 4 sind wie in der Ausführung gemäß 1 an dem Vorschalldämpfer 20 angeschlossen, wobei das Abgasstrom aus dem Vorschalldämpfer 20 beiden Strömungspfaden 3, 4 je nach Stellung der Klappe 5 zugeführt wird. In der gezeigten Ausführung ist die Strömungsfläche des ersten Strömungspfades 3 mittels der Klappe 5 wie in 1 verschließbar. Dann strömt das Abgas im Wesentlichen ausschließlich über den zweiten Strömungspfad 4 in den Endschalldämpfer 6, in dem sich an den zweiten Strömungspfad 4 die Kammer 8 anschließt. Das Wirkprinzip der schlagartigen Querschnittsvergrößerung im Endschalldämpfer 6 ist identisch zu 2, lediglich werden die Rohre der Strömungspfade 3, 4 nicht nebeneinander, sondern koaxial ineinander geführt.
In beiden Ausführungen ist die Klappensteuerung nicht dargestellt. Hierbei kann auf bekannte Lösungen des Stands der Technik zurückgegriffen werden.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise kann auch anstelle eines Reflexionsschalldämpfers ein Absorptionsschalldämpfer als Endschalldämpfer verwendet werden oder die zwei Einzelpfade in zwei getrennten Endschalldämpfern enden, so dass beispielsweise der Leistungspfad linksseitig und der Akustikpfad rechtsseitig des Motorrads verläuft.

Claims

Abgasanlage für Verbrennungsmotoren mit einem Abgasstrang (2), der für einen Abgasstrom mindestens einen ersten Strömungspfad (3) und einen zweiten Strömungspfad (4) aufweist, wobei sich der erste und zweite Strömungspfad strömungstechnisch getrennt voneinander von einem Vorschalldämpfer (20) zu mindestens einem Endschalldämpfern (6) erstrecken und der erste Strömungspfad (3) über eine ansteuerbare Klappe (5) motordrehzahlabhängig kontinuierlich verschließbar ist, wobei der Abgasstrom bei geschlossener Klappe (5) durch den zweiten Strömungspfad (4) geführt wird.
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsquerschnittsfläche des ersten Strömungspfads (3) größer ist als eine Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Strömungspfads (4).
Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Strömungspfad (3, 4) parallel nebeneinander angeordnet verlaufen.
Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Strömungspfad (3, 4) koaxial ineinander angeordnet verlaufen, wobei der zweite Strömungspfad (4) den ersten Strömungspfad (3) beabstandet umgibt, und der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Strömungspfad (3, 4) die Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Strömungspfads (4) bildet.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste und zweite Strömungspfad (3, 4) in den Endschalldämpfer (6) hinein erstrecken, wobei der erste Strömungspfad (3) den Endschalldämpfer (6) in Strömungsrichtung vollständig bis zu einem Auslass (7) hin durchdringt.
Abgasanlage nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungspfad (4) in dem Endschalldämpfer (6) in einer Kammer (8) endet, die eine gegenüber dem zweiten Strömungspfad (4) schlagartig um mindestens das doppelte vergrößerte Strömungsquerschnittsfläche bereitstellt.
Abgasanlage nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungspfad (3) in dem Endschalldämpfer (6) mit der Kammer (8) strömungsverbunden und der erste Strömungspfad (3) innerhalb des Endschalldämpfers (6) perforiert ausgebildet ist.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endschalldämpfer (6) in Strömungsrichtung durch ein Trennelement (9) unterteilt ist, wobei in einem stromaufwärtigen ersten Abschnitt (10) die Kammer (8) und in einem stromabwärtigen, an den Auslass (7) angrenzenden zweiten Abschnitt (11) ein Dämmmittel vorgesehen sind, wobei das Dämmmittel den ersten Strömungspfad umgibt.
Abgasanlage nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (9) die Kammer (8) gegenüber dem zweiten Abschnitt (11) abdichtet.
Abgasanlage nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strömungspfade (3, 4) von dem Vorschalldämpfer (20) zu zwei getrennten Endschalldämpfern in Strömungsrichtung verlaufen und einer der beiden Strömungspfade (3, 4) über die Klappe (5) verschließbar bzw. drosselbar ist.
Motorrad mit einer Abgasanlage nach zumindest einem der vorigen Ansprüche.