DE2154155A1

DE2154155A1 - Abgasanlage, insbesondere fur Mehr zylinder Brennkraftmaschinen, mit einer geraden Zylinderzahl und zwei Abgaslei tungen

Info

Publication number: DE2154155A1
Application number: DE19712154155
Authority: DE
Inventors: Richard Albert Southfield Mitchell Harry Ream Bloomfield Hills Mich Gast (V St A)
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1970-10-30
Filing date: 1971-10-26
Publication date: 1972-05-04
Also published as: AU443187B2; GB1321177A; DE2154155C2; AU3512171A; US3653212A

Description

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^{1 l} ^{w 4}- -⁵ ¥/Yh-2799 2 6. Okt 1971

General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.A.-

Abgasanlage, insbesondere für Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen, mit einer geraden Zylinderzahl und zwei Abgasleitungen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasanlage, insbesondere für Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen, mit einer geraden Zylinderzahl und zwei Abgasleitungen, deren jede an einen Auslasskasten für eine Hälfte der Zylinder angeschlossen und über mindestens einen ventilgesteuerten Einlass mit einer Quelle für atmosphärische Luft verbunden ist.

In den vergangenen Jahren sind erhebliche Anstrengungen gemacht worden, um den Anteil an unverbrannten Bestandteilen in den Abgasen, wie Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid,

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zur vermindern. Eine der wirkungsvollsten Massnahmen "besteht darin, diese Verringerung der schädlichen Bestandteile durch Luftzufuhr zu bewirken.

In diesem falle fördert eine von der Brennkraftmaschine angetriebene Luftpumpe Luft in den heissen Abgasstrom, wenn dieser die Brennkammern der Brennkraftmaschine verlässt. Unter Ausnutzung der in den Abgasen enthaltenen Wärme bewirkt die zugeführte Luft eine nachverbrennung in den Abgasen, wodurch der Anteil der unverbrannten Bestandteile vor dem Ausstoss in die Aussenluft verringert wird.

Bei anderen Anlagen, wie sie beispielsweise in den US-PS 3 285 002 und 3 335 564 beschrieben sind, ist die Luftpumpe durch Injektoren im Bereich der Zylinderköpfe der Brennkraftmaschine ersetzt. Biese Bauart erhöht aber beträchtlich die Kosten, der Brennkraftmaschine und ist voraussichtlich teurer als die Anlagen mit Luftpumpe, die entbehrlich gemacht werden sollen.

Tor Einführung der eben erwähnten Anlagen ist der Versuch gemacht worden, Luft in die Abgasanlage einer Brennkraftmaschine durch besonders konstruierte schwingungsfrequenzabhängige Ventile einzuführen. Keiner der diesbezüglichen Vorschläge sah aber vor, den Luftstrom dem heissen Abgasstrom unmittelbar neben den Auslassventilen zuzuführen, ferner waren diese Ventile nicht geeignet, einen ausreichenden Luftstrom zu den Abgasen zu fördern, um eine Verringerung des Anteils an unverbrannten

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Bestandteilen in den Abgasen in einem heute geforderten Ausmasse zu ermöglichen·

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlage der eingangs erwähnten Art so weiter auszugestalten, dass eine modernen Anforderungen gerecht werdende Verringerung der schädlichen Bestandteile in den Abgasen erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass jedem Einlass ein Luftzufuhrrohr zugeordnet ist, das in den zugeordneten Auslasskasten ragt und neben einem Auslassventil der Brennkraftmaschine endet, und dass die beiden Abgasleitungen miteinander in einem Abstand von mehr als 1,8 m und weniger als 4,2 m stromabwärts der Auslasskästen miteinander verbunden sind, so dass die in jeder Abgasleitung vom Auslassdruck angefachten Schwingungen sich mit den von diesen angefachten Reflexwellen zu einer Resonanzwellenbildung vereinen, die einen Luftstrom in den Abgasstrom veranlasst, der ausreicht, den Anteil an unverbrannten Bestandteilen der Abgase in einem merkbaren Umfang zueindestens in der unteren Hälfte des Bereichs der vorgesehenen Drehzahlen der Brennkraftmaschine zu verringern.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen·

Durch die e*findungsgemäese Ausbildung der Abgasanlage wird durch Ausnutzung der Druckschwankungen in der Abgas-

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anlage ein ausreichender Luftstrom in die Abgase erzeugt, der die Nachverbrennung in den Abgasen in einem solchen Ausmasse veranlasst, dass der verbleibende Anteil an schädlichen Bestandteilen den jetzigen Forderungen der Abgasentgiftung entspricht.

Dieser ausreichende luftstrom wird durch entsprechende Auswahl der Längen und Ausgestaltungen der Abgasanlage ermöglicht·

Bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und mehreren Auslasskästen, an die jedoch höchstens die Hälfte der Zylinder angeschlossen ist, und mehreren Abgasleitungen kann die Abgasanlage so abgestimmt werden, dass in einem bestimmten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine ein maximaler Luftstrom in die Abgase erzeugt wird.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. In der Zeichnung ist

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage nach der Erfindung,

flg. 2 eine vergrösserte Ansicht auf die Rückseite der Brennkraftmaschine gemäss flg. 1 mit zum !Dell weggebrochenen Teilen, wobei eine abgewandelte Ausführungsform mit einem Querkanal in der Abgasanlage eingezeichnet ist,

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Pig. 3 eine Draufsicht auf eine der Maschine gemäss Pig. 2 ähnliche Maschine mit einer T-förmigen Verbindung dar Abgasleitungen,

Pig. 4 eine Draufsicht auf ein Luftzufuhrventil der in fig. 1 dargestellten Abgasanlage in grösserem Maßstabe,

Pig. 5 ein Schnitt nach der Linie 5-5 in Pig. 4, Pig. 5a ein vergrößerter Ausschnitt aus Pig. 5» Pig. 6 eine schematische Darstellung einer Aehtzylinder-V-Brennkraftmaschine mit einem Auspuffrohr,

Pig. 7 eine graphische Darstellungen der die Drehzahl der Brennkraftmaschine für maximalen Luftstrom über dem Abstand zwischen der Verbindung der Abgasleitungen und dem Auslasskasten dargestellt ist,

Pig. δ eine schematische Darstellung einer Achtzylinder-V-Brennkraftmaschine mit einem Auspuffrohr, aber asymmetrisch ausgebildeten Auslassieitungen,

Pig. 9 eine graphische Darstellung, in der die Brennkraftmascbinendrehzahl für maximalen Luftstrom über dem Abstand zwischen der Verbindung der Abgasleitungen und dem Auelasskasten dargestellt ist,

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Pig. 10 eine schematische Darstellung einer Achtzylinder-V-Brennkraftmaschine mit zwei Auspuffrohren und

Pig. 11 eine graphische Barstellung, in der die

Brennkraftmasehinendrehzahl für maximalen Luftstrom über dem Abstand zwischen des " Ausgleichsrohr zwischen den beiden Abgas-

leitungen und dem Auslasskasten dargestellt ist.

In den Pig. 1 bis 3 ist eine Achtzylindär-V-Brennkraftmascbine 10 dargestellt, die mit einem Vergaser U und einem Luftfilter 12 ausgerüstet ist· Jeder aus vier Zylindern bestehenden Zylinderreihe ist ein Auslasskasten 13 bzw. 14 zugeordnet, an die in nachstehend beschriebener Weise eine

Abgasanlage angeschlossen ist. Die Auslasskästen 13 und 14 ent-

^w halten Luftzufuhrrohre 17, die sich in diese bis neben die Auslassventile 18 der Brennkraftmaschine erstrecken (Pig. 2) und die an Luftverteilerleitungen 15 bzw. 16 angeschlossen sind. Letztere sind über Leitungen 21 bzw. 22 an die Auslasse eines Luftansaagventils 23 angeschlossen, das an der Brennkraftmaschine befestigt ist und mit seinem Einlass mit einer geeigneten Quelle für reine Luft atmosphärischen Druckes angeschlossen ist, beispielsweise durch ein Rohr 24 mit dem Luftansaugkanal stromabwärts des Luftfilters 12.

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Wie die Pig. 3 "bis 5 erkennen lassen, flieset

frischluft durch das Rohr 24 durch einen Einlass 25 des Ventilgehäuses 26 über eine 7entilplatte 31 in eine Kammer 28. Sie Ventilplatte 31 ist normalerweise durch eine Feder 27 in der Offenlage gehalten. Aus der Kammer 28 gelangt die Luft durch mehrere Blattfederrückschlagventile 32, die öffnen, wenn der Druck im Aaslasskasten unter den Aussenluftdruck fällt, wie dies später noch erklärt wird, um einen luftstrom durch die Auslässe 33 in Deckeln 34- zu gestatten, wodurch die Luft zu den bereits erwähnten Leitungen 21 und 22 gelangt.

Im Ausführungsbeispiel kann die Ventilplatte geschlossen werden, um die Zufuhr von Luft heim Verzögern der Brennkraftmaschine zu unterbinden und damit ein Bückfeuern der Brennkraftmaschine auszuschliessen. Das Sehliessan der Ventilplatte 31 wird durch eine Membran 35 bewirkt. Das Ansaugvakuum wird über ein Rohr 36 und einen Kanal 37 einer Kammer oberhalb der druckempfindlichen Membran 35 zugeleitet· Beim Verzögern bewirkt das hohe Ansaugvakuum eine Aufwärtsbewegung der Membran 35 gegen die Kraft der feder 27 und schliesst damit die Ventilplatte 31.Ein Verzögerungsventil 41 in dem Stössel 42 gleicht allmählich den Druckunterschied in den Kammern 38 oberhalb der Membran 35 und einer Kammer 43 unterhalb der Membran 35 aus, so dass die Ventilplatte 31 nur für eine vorgegebene Zeit geschlossen bleibt.

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Das L^uftansaugventil 23 enthält in dem Ventilgehäuse 26 an einander gegenüberliegenden Seiten Ventilsitze 44» die von dem Deckel 34 umschlossen sind. Jeder Ventilsitz 44 enthält einen Kanal 45 zur Kammer 28 und ist mit Auslassöffnungen 46 versehen. Jeder Ventilsitz ist mit zwei Sätzen einander gegenüberliegenden Auslassöffnungen 46 versehen, wobei der Durchstrom durch diese öffnungen durch die Blattfederventile 32 gesteuert wird· Jedes Blattfederventil 32 ist am einen Ende festgelegt und liegt mit seinem freien Ende gegen den Ventilsitz 44 Ik Bereich der Auslassöffnungen 46 an, um diese Öffnungen zu verschlie-ssn. Ein Ventilfanger 47 ist über dem festen Ende jedes Blattfe-u^r^ntils befestigt und erstreckt sich in einem vorgegebenen Bogen, um das Ausbiegen der Blattfederventixe zu begrenzen.

Der Stössel 42, an dessen abgesetztem oberen Ende die Ventilplatte 31 befestigt ist, ist verschieblich in der P Bodenwand des Ventilgehäuses 26 geführt und wird normalerweise in die in Pig. 5 dargestellte Stellung durch die Feder 27 gedrückt, so dass die Ventilplatte 31 von einem Ventilsitz 48 abgehoben ist. Die Membran 35 ist mit dem ringförmigen unteren Ende des Stössels 42 verbunden und mit ihrem Aussenrand zwischen einem unteren Deckel 51 und dem Ventilgehäuse 26 eingespannt, um die beiden Kammern 38 und 43 zu bilden.

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Das Terzögerungsventil 41 ist eine nachgiebige Metallscheibe mit einem als Klqgpenventil ausgebildeten !Teil, der aus einem bogenförmigen Schlitz 52 besteht, der eine ringförmige Aussparung 53 in der Stirnfläche des Stössels 42- überdeckt. Die Membran 35 und das Terzögerungsventil 41 sind mit dem Stössel 42 durch einen Haltering 54 verbunden. Die ringförmige Aussparung 53 ist über eine Entlüftungsnut 55 vorgegebener Grosse mit einem Kanal 56 innerhalb des Stössels zur Kammer 38 verbunden. Beim Terzögern der Brennkraftmaschine wird durch das hohe Ansaugvakuum in der Kammer 38 der Druck in der Kammer 43 die Membran 35 nach oben bewegen, um die Tentilplatte 31 zu schliexsen. Zu dieser Zeit ist das Terzögerungsventil 41 geschlossen, jedoch kann Luft zwischen den Kammern 38 und 43 durch den gedrosselten Weg über den bogenförmigen Schlitz 42 die

ringförmige Aussparung 53» die Entlüftungsnut 55 und den Kanal 56 erfolgen. Nach einer durch die G-rösse der Entlüftungsnut 55 gegebenen Zeit gleichen sich die Drücke in den Kammern und 43 ausreichend aus, so dass die Feder 27 die Tentilplatte 31 wieder nach unten bewegen kann und die luftzufuhr freigibt.

Wird jedoch vor einem Ausgleich des Druckes in den Kammern 38 und 43 die Brennkraftmaschine plötzlich wieder beschleunigt, so steigt der Druck in der Kammer 38 schnell an. In diesem Falle öffnet der Klappenventilteil des Terzögerungsventils 41 und verbindet die Kammern 38 und 43 unmittelbar, so

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dass ein schneller Druckausgleich erfolgt und die Ventilplatte 31 durch die Feder 27 in der Offenlage gehalten wird.

Erfindungsgemäss v/erden nun die Druckschwankungen in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine verwendet, um Frischluft in die Abgase durch die Luftzufuhrrohre 17 einzuführen. Diese Lösung ist vorteilhaft, weil sie keine Leistung der Brennkraftmaschine benötigt und die Luftpumpe entbehrlich macht, bei der ausserdem schnellschaltende Bückschlagventile notwendig sind, da eine Luftzufuhr nur erfolgen darf, wenn der Druck in der Abgasanlage unter dem Aussenluftdruck liegt· Derartige Unterdrücke entstehen, da die von den die Brennkammern verlassenden Abgasen veranlassten Druckwellen vom offenen Ende der Abgasanlage als Expansionswellen reflektiert werden. Um einen ausreichenden Luftstrom zur Kachverbrennung der Abgase zu veranlassen, wie er durch die jetzt geltenden Torschriften über Abgasentgiftung erforderlich ist, muss die Abgasanlage entsprechend abgestimmt ausgebildet werden, so dass sie zusammen-P gesetzte Schwingungsfrequenzen erzeugt, denen die Rückschlagventile 32 folgen können.

Zum besseren Verständnis werden die theoretischen Grundlagen der Erfindung ausgeführt. Betrachtet man eine Einzylindermaschine mit einer angeschlossenen Abgasleitung, so entsteht beim ersten Zünden der Brennkraftmaschine eine Druckwelle von der Brennkammer zur Auslassöffnung, wenn das Auslassventil öffnet, und schreitet mit SchallgeMchwindigkeit durch die

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Abgasanlage fort. Die Auswirkung dieses Druckimpulses endet jedoch nicht, wenn die Druckwelle aus der Abgasleitung austritt. Es wird vielmehr längs der Abgasleitung eine Druckwelle reflektiert und dieses wechselseitige Reflektieren dieser Druckwelle dauert an bis sie vollständig abgeklungen ist. Jede das offene, in die Aussenluft mündende Ende der Abgasleitung erreichende Druckwelle wird also als Expansions- oder Verdünnungswelle durch die Abgasanlage reflektiert. Ebenso wird eine Expansionswelle vom offenen Ende der Abgasleitung als Druckwelle reflektiert. Druck- und Expansionswellen werden von der geschlossenen Seite der Abgasleitung als Druck- bzw. Expansionswellen reflektiert. Es können somit mehrere Perioden von Unterdruck an jedem einzelnen Punkt der Abgasanlage durch Reflektion eines einzigen Auslassimpulses erzeugt werden. Bei Fahrzeugabgasanlagen mit Auspufftöpfen und mehreren Abgasleitungen treten diese Wirkungen der Druckwellen ebenfalls ein, aber die konstante Druckgrenze, die die Expansionswellen erzeugt, stimmt nicht notwendigerweise mit dem baulichen Ende des Auspuffrohrs überein.

Bei normalem Betrieb einer Brennkraftmaschine tritt ein zweiter ^usLassimpuls auf bevor die Reflektionen der ersten Druckwelle vollständig abgeklungen sind. Die folgenden Druckwellen und ihre Reflektionswellen vereinen sich bald miteinander, um eine zusammengesetzte Welle zu bilden, die sich bei jedem Zündvorgang der Brennkraftmaschine wiederholt bis

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deren Betriebsbedingungen sich ändern. Treffen sich zwei oder mehr Druckwellen, so ist die resultierende Amplitude der zusammengesetzten Welle die Summe dieser Amplituden, die unabhängig in jeder Welle auftreten. Äachdem die Wellen aneinander vorbeigelaufen sind, bleiben sie voneinander unbeeinflusst.

Als Folge dieser Wirkungen ist die Häufigkeit des Auftretens von Unterdruck bei einer Einzylindermaschine je Zündablauf bei zwei Umdrehungen der Kurbelwelle durch die Drehzahl der Brennkraftmaschine und die Länge und Gestalt der Abgas· anlage bestimmt sowie durch die Schallgeschwindigkeit in den Abgasen, die durch deren physikalische Eigenschaften bestimmt ist. Die Grosse der Unterdrücke wird im wesentlichen durch den Druckpegel in der Brennkammer im Augenblick des Öffnena des Auslassventils und durch die Dämpfungseigenschaften der Abgasanlage bestimmt. Sowohl die Grosse als auch die Häufigkeit der Unterdrücke wird durch die Öffnungscharakteristik des Auslassventils beeinflusst, die durch die Steuerungsnockenprofilierung bestimmt ist und durch den Einfluss der bei folgenden Zündungen auftretenden Druckwellen. Auch die Ansauganlage der Brennkraftmaschine kann Unterdrücke in der Abgasanlage infolge der Überlappung der Ein- und Auslassventile bewirken, wenn das Einlassventil öffnet, während das Auslassventil noch offen ist. Dieser Einfluss ist jedoch bei einer Mehrzylindermaschine der in Pig. 1 dargestellten Art von geringerer Bedeutung, da

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allein das Abstimmen der Abgasanlage als ausreichend festgestellt wurde, um die für die Nachverbrennung der Abgase notwendige Luftzufuhr zu gewährleisten·

Betrachtet man nun eine Mehrzylindermaschine der zumeist in Kraftfahrzeugen benutzten Art, bei der mehrere Zylinder in einen gemeinsamen Auslasskasten auspuffen, so zeigt sich, dass die Auslassdruckwellen, die hierbei entstehen, wesentlich komplexer sind. Druckwellen von den verschiedenen Zylindern wandern längs der gemeinsamen Abgasleitung zur Mündung und werden längs dieser reflektiert. Jede Druckwelle behält ihre Eigenschaft unabhängig von den anderen, jedoch erfolgt eine Überlagerung der Wellen an den Stellen, wo beide gleichzeitig auftreten. Infolge dieser Überlagerung bestimmt die Zündfolge der an einen gemeinsamen Auslasskasten angeschlossenen Zylinder die Art der zusammengesetzten Druckwelle an einer bestimmten Stelle der Abgasanlage. Die Verbindung von zweL oder mehr Abgasleitungen der Maschine gestattet, dass Druckwellen aus der einen Abgasleitung diejenigen in der anderen Abgasleitung unter bestimmten Voraussetzungen verstärken. Diese Parameter müssen ebenso wie die zuvor erwähnten, die die Druckwelle eines Zylinders beeinflussen, bei dem Entwurf der Abgasanlage berücksichtigt werden, um die erfindungsgemässe Luftzufuhr zu ermöglichen.

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Hierzu ist zunächst erforderlich, dass die Auslegung so erfolgen muss, dass die erzeugten Auslassdruckschwingungefrequenzen innerhalb der Grenzen liegen, in denen das Lufteinlassventil 23 ansprechen kann und Unterdrücke für eine genügend lange Zeit aufrechterhalten "bleiben, um den eingeleiteten luftstrom durch das Ventil zu "bringen. Die Brennkraftmaschinendrehzahl und die Anzahl der statischen Unterdrücke während einer Zündfolge "bestimmen die Betriebsfrequenz der Rückschlagventile 32. Diese Betriebsfrequenz f in Hertz kann folgendermassen ausgedrückt werden:

Brennkraftmaschinendrebzahl in U/min Zahl der Unterdrücke/ f = je Zündfolge

2 Umdrehungen je Zündfolge χ 60 sec/min

Aus dieser formel ergibt sich, dass "bei einer gegebenen Brennkraftmaschinendrehzahl die Betriebsfrequenz f, die für die Rückschlagventile 32 notwendig ist, unmittelbar von den Unterdrücken des Auslassdruckes oder den Schwingungen Je Zündfolge abhängig ist. Um die Wirksamkeit der Rückschlagventile 32 zu erhöhen, ist es erwünscht, deren Preqeunz zu verringern und die Amplitude der Druckschwanknngen zu erhöhen. Bei dieser Frequenz arbeitende Rückschlagventile haben die beste Wirkung.

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Bei einer Mehrzylindermaschine mit N-ZyIindem ist die Auslassdruckwelle eine vereinigte Druckwelle, die durch Überlagerung der Druckwellen der einsselnen Zylinder entsteht. Diesem Umstand kann dadurch vorteilhaft Rechnung getragen werden, dass dicht beieinander liegende Auslassöffnungen vorgesehen werden, wie dies bei üblichen Bauarten möglich ist, bei denen N/2 Zylinder an einen Auslasskasten angeschlossen sind, da dann der Auslasskasten als Oberdruckkammer wirkt, der durch eine verhältnismässig lange Abgasleitung gesteuert wird. Dicht beieinader liegende Auslassöffnungen in einem gemeinsamen Auslasskasten führen zu Unterdrücken zur gleichen Zeit. Es kann daher eine Zufuhr von Luft zu den Abgasen von einer gemeinsamen Gruppe von Rückschlagventilen zu gleicher Zeit erfolgen, wie dies in Pig. 2 und 3 dargestellt ist.

Es wurde festgextelt, dass bei Verbindung von mehr als N/2 Zylindern an einen gemeinsamen Auslasskasten trotz dicht beieinander liegenden Auslassöffnungen die vereinigte Druckschwingung verhältnismässig kleine Amplitude und hohe Frequenz erhält. Werden diese zwei Auslasskästen über relativ kurzen Weg, beispielsweise durch den üblichen Querkanal, zum Vorwärmen des angesaugten Gemisch verbunden, so werden ausreichende Luftströme zu den Abgasen nur bei sehr kleinen Drehzahlen der Brennkraftmaschine erzeugt. Die Frequenz dieser Auslassschwingungen kann verringert und dafür die Amplitude wesentlich

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vergrössert werden, wenn eine derartig kurze Verbindung zwischen den Auslasskästen -vermieden wird.

Ein maximaler Strom von zügejfütarter Luft zu den Abgasen tritt dann ein, wenn die Ausgangsdruckwellen und ihre entsprechenden reflektierten Druckwellen sich so vereinen, dass sie die Eigenfrequenz f° der A^gasanlage erhöhen, die ^ durch folgenden Wert ausgedrückt werden kann:

ο Schallgeschwindigkeit in den Abgasea ¹ ~ Wellenlänge des Auegangsdruckes·

für jede Abgasanlage kann diese Eigenfrequenz durch eine charakteristische Wellenlänge bestimmt werden, die von der Länge der Leitung abhängt. Es ist deshalb möglich, die Abgasanlage so abzustimmen, dass ein maximaler Luftstrom bei einer gegebenen Brennkraftmaschinendrehzahl erzeugt wird. Dies ist wichtig, da ein maximaler Luftstrom erforderlich ist, um eine ausreichende Luftmenge mit den heissen Abgasen zu mischen, um neuzeitlichen Forderungen der Abgasentgiftung gerecht zu werden. Ist die Abgasanlage einwandfrei abgestimmt, so erfolgt ein ausreichender Luftzustrom zu den Abgasen über einen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine, der sich über mehrere gundert Umdrehungen je Hinute erstreckt. Hierdurch ist es möglich, die Abgasanlage so auszulegen, dass eine hohe Luftzufuhr zu den Abgasen in der unteren Hälfte des gesamten DreQZahlbereichs der Brennkraftmaschine liegt, in welchem

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Bereich eine Entgiftung der Abgase besonders nötig ist im Gegensatz zum Betrieb mit höheren Drehzahlen, bei denen das Brennst of f^-Luftverhältnis und die höheren Abgastemperaturen eine ausreichende Verringerung schädlicher Anteile mit einer geringeren Luftzufuhr ermöglichen.

Wie bereits erwähnt, wirkt ein Auslasskasten wie eine Druckkammer, die von einer verhältnismässig langen Abgasleitung gesteuert wird« Durch Pestlegen der gesamten Länge dieses Teils der Abgasanlage, kann diese verschiedenen Betriebs-Verhältnissen angepasst werden. Bei einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine ist diese Länge grosser als 0,9 m, aber geringer als 4,2 m.

Die erfindungsgemässe Ausgestaltung ist bei

allen Arten von Abgasanlagen anwendbar, wobei beste Ergebnisse bei Anlagen mit Y-verbundenen Abgasleitungen mit einem Auspuffrohr und Anlagen mit zwei Abgasleitungen, die durch ein Ausgleichsrohr verbunden sind, wobei bei letzteren Anlagen bis zu 30?έ höhere L^uftmengen zugeführt werden können als bei der erstgenannten· Es wurde festgestellt, dass die beiden oben erwähnten Achtzylinder-Y-Breakraftmaschinen mit abgestimmten Abgasanlagen für maximale Luftzufuhr bei einer vorhersagbaren Anzahl von drei- bis fünfmaligen Unterdrücken bei jedem Arbeitsspiel oder zwei Kurbelwellenumdrehungen geschaffen werden, indem eine genaue !Festlegung der erforderlichen Länge

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der Abgasleitung ermittelt wird. Es werden nachstehend nur die "beiden bereits erwähnten Arten von Abgasanlagen näher beschrieben.

In Pig. 6 ist sohematisch eine symmetrische Abgasanlage mit zwei Abgasleitungen dargestellt, die mit einem gemeinsamen Auspuffrohr verbunden sind,während Fig. 7 eine graphische Darstellung der Betriebsverhältnisse dieser Anordnung zeigt· Sie Auslasskästen 13 und 14 sind durch annähernd gleich lange Abgasleitungen 61 bzw· 62 in einem Y-Verbindungsstück 63 vereinigt und mit einem gemeinsamen Auspufftopf 64 und Auspuffrohr 65 verbunden· Die kritische Länge der Abgasanlage für eine vorgegebene Brennkraftmaschinendrehzabl ist die Länge zwischen dem Auslasskasten und der Verbindung der zugeordneten Abgasleitung mit dem Y-Verbindungsstück· Mit anderen Worten heisst das, dass die Lage des Schalldämpfers oder die Länge des Auspuffrohres keinen wesentlichen Einfluss auf den erzeugten Luftstrom zu den Abgasen hat, wenn die angegebenen Abstände entsprechend den Kurven in Pig. 7 gewählt werden bzw. nach der noch später zu erklärenden Pormel bestimmt werden. In den Pig. 7» 9 und 11 sind Kurvenscharen dargestellt, die auf drei bzw. fünf Pulse je zwei Umdrehungen abgestimmt sind· Pur die erfindungsgemässen Zwecke sind jedoch die Kurven für fünf Pulse von vorwiegender Bedeutung.

Es ist nichtjimmer möglich, eine völlig symmetrische Abgasanlage in Kraftfahrzeugen vorzusehen. Notwendige Anordnung von Teilen des Kraftfahrzeugs oder des Antriebes erfordern oft

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wesentliche Asymmetrien beim Entwurf der Abgasanlage, um gegenseitige Störungen auszuschalten. In fig. 8 ist eine Brennkraftmaschine mit einer asymmetrischen Abgasanlage schematisch dargestellt, bei der die Auslasskästen 13 und 14 durch Abgasleitungen 61 und 62a, die ungleiche Länge aufweisen, in einem ΐ-Verbindungsstück 63 zusammengeführt sind, das zu einem gemeinsamen Auspufftopf 64 und Auspuffrohr 65 führt. Bei dieser Anordnung ist der erwähnte kritische Abstand das Mittel der Abstände der beiden Abgasleitungen von den Abgaskästen, wenn der Unterschied zwischen ihnen nicht mehr als 0,6 m beträgt · Bei einer grösseren Differenz der Längen wird in jeder Zylinderreihe ein maximaler Strom bei verschiedenen Drehzahlen auftreten, so dass in jeder Zylinderreihe bei einer bestimmten Brennkraftmascbinendrehzahl verschieden grosse Luftströme in die Abgase zugeführt werden.

Die Bedingungen für einen maximalen Luftstrom sind in Pig. 9 in durchgehenden Linien eingezeichnet, wobei ein Unterschied der Längen der beiden Abgasleitungen von etwa 1,2 m besteht. Zum Yergleich sind die Kurven bei gleicher Länge der Abgasleitungen gestrichelt eingezeichnet.

Obwohl die Y-Verbindungsstücke mit gleichen Eintrittswinkeln von etwa 45° zur Achsrichtung des Verbindungsstückes dargestellt sind, kann das Verbindungsstück mit ver-

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schieden geneigten Stutzen zum Anschluss der Abgasleitungen ausgebildet sein·

In Pig. 10 ist eine Abgasanlage dargestellt, bei durch
der/ein Ausgleichsrohr 66 die beiden Abgasleitungen 61b und 62b stromaufwärts von zwei Auspufftöpfen 64 miteinander verbunden sind. Bei dieser Anordnung ist die kritische länge der Abgasanlage der Abstand von der Auslasskammer bis zur Mitte des Ausgleichsrohrs 66, In Pig. 11 sind die entsprechenden Kurven in durchgehenden linien dargestellt und für Vergleichszwecke in gestrichelten Linien die Werte für eine Abgasanlage mit nur einem Auspuffrohr eingezeichnet. Das Ausgleichsrohr 66 kann im Gegensatz zu der gezeichneten rechtwinkligen Lage zu den Abgasleitungen 61b und 62b auch in jedem gewünschten Winkel geneigt diese Verbindung herstellen.

I η abgewandelter nicht dargestellter Weise kann eine Abgasanlage mit zwei Auspuffrohren auch ohne Ausgleichsrohr verwendet werden und eine ausreichende Luftzufuhr zu den Abgasen ermöglichen. Es wurde jedoch festgestellt, dass bei einer derartigen Anlage ein schlechterer Wirkungsgrad erzielt wird und auch verhältnismässig starke Geräusche gegenüber dem mit Ausgleichsrohr versehenen Abgasanlagen auftraten.

Während Kurven entsprechend den Fig. 7,9 und 11 empirisch für jede gegebene Brennkraftmaschine und Abgasanlage aufgestellt werden können, so kann auch eine rechnerische Er-

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mittlung erfolgen, und zwar nach folgender Uaherungsgleichung, die Ergebnisse mit plus oder minus 0,3 m ergibt.

12270 - 0.625 (A/M) S _ (V/104) ^{1 =} S + 231 ⁺ ^6Ae "³'^S

In dieser ist

L die Länge der Abgasanlage, also der Abstand der Verbindung der beiden Abgasleitungen von den Auslasskästen in engl.Fuß, wobei der Abstand von dem am weitesten entfernten Auslasskasten von der Verbindung der beiden Abgasleitungen zu wählen ist;

A der Durchflussquerschnitt der Abgasleitungen in engl. Quadratζoll;

S die Brennkraftmaschinendrehzahl für maximie Luftzufuhr zu den Abgasen in U/min, wobei diese Drehzahl für den Drehzahlbereich gewählt wird, in dem zur Abgasentgiftung die grösste Luftzufuhr zweckmässig ist;

M die Anzahl der Rohre von der Verbindung der Abgasleitungen zu Auspufftopfen, d.h.

1 bei einer Anlage mit X-Verbindungsstück und

2 für Anlagen mit zwei Auspufftopfen;

V Volumen eines Auslasskastens für vier Zylinder in engl. Kubikzoll;

e die Basis der natürlichen Logarithmen = 2,7182818 ..

Ist ein Aufwärmen des angesaugten Brennstoffluftgemisches erwünscht, so kann die Abgasanlage abgewandelt werden, indee ein Querrohr in der Abgasanlage vorgesehen wird, wie

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- 22 dies beispielsweise in Fig. 2 und 3 dargestellt ist·

Die übliche Querverbindung des einen Auslasskaetens mit dem anderen: Auslasskasten ist hier fortgelassen und stattdessen die eine Zylinderreihe mit einer nach aussen führenden Abgasleitung 71 zu einem Abgasquerkanal 72 Yerbunden, der über eine zweite Abgasleitung 73 zur gleichen Zylinderreihe zurückgeführt ist und stromaufwärts des Y-Verbindungsstücks in die Abgasleitung 61 einmündet. Hierdurch können heisse Abgase von der rechten Zylindärreihe durch den Querkanal 72 strömend das Aufheizen des zugeführten Gemischs bewirken, das durch einen Kanal 74 strömt.

In abgewandelter Weise kann die zweite Abgasleitung 73 in Aicht dargestellter Weise in den Luftansaugkanal der Brennkraftmaschine einmünden. Bei der Bestimmung der kritischen Länge der Abgasanlage bei einer Brennkraftmaschine, bei der keine Aufheizung des Gemisches durch Abgase erfolgt, ist es fe zweckmässig, der aus der oben angegebenen Formel ermittelten Länge den Wert von 0,23 m hinzuzufügen.

Die zu der obigen Formel angegebene Toleranz von plus oder minus 0,3 m berücksichtigt Unterschiede in den !Temperaturen der Abgase einer bestimmten Maschinengattung und die akustische Leitfähigkeit der Verbindungen innerhalb der Abgasanlage. Ein Einschliessen dieser Variablen in die obige Gleichung würde deren Handhabung ungebührlich erschweren. Ihr

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Einfluss ist durch die angegebene !Toleranz "berücksichtigt, wobei eine ausreichend genaue Bestimmung der erforderlichen Länge für eine bestimmte Maschine gewährleistet bleibt.

Die Erfindung ist auch zur Verwendung bei Sechszylinder- oder Vierzylindermaschinen möglich. Im Falle von Sechszylindermaschinen würde im Eälle einer Seehszylinder-V-Maschine eine gleiche Unterteilung der Zylinder wie bei einer Achtzylinder-V-Maschine vorzunehmen sein. Bei einer Sechszylinder-Reihenmaschine kann eine Zuteilung der Zylinder auf die Auslasskästen im Verhältnis 3:3 oder 4:2 vorgenommen werden, wobei jedoch die gleichmässige Verteilung der Zylinder auf die Auslasskästen vorteilhafter ist, da sich in beiden Abgasleitungen gleiche Luftzufuhren zu den Abgasen über einen weiteren Drehzahlbereich ergeben als bei der ungleichmässlgen Verteilung.

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Claims

- 24 Patentansprüche :

1.j Abgasanlage, insbesondere für Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen, mit einer geraden Zylinderzahl und zwei Abgasleitungen, deren jede an einen Auslasskasten für eine Hälfte der Zylinder angeschlossen und über mindestens einen ventilgesteuerten Einlass mit einer Quelle für atmosphärische Luft verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Einlass ein Luftzufuhrrohr (17) zugeordnet ist, das in den zugeordneten Auslasskasten (13;14) ragt und neben einem Auslassventil (18) der Brennkraftmaschine endet, und dass die beiden Abgasleitungen (61,62;61b,62b) miteinander in einem Abstand von mehr als 1,8 m und weniger als 4,2 m stromabwärts der Auslasskästen miteinander verbunden sind, so dass die in jeder Abgasleitung vom Auslassdruck angefachten Schwingungen sich mit den von diesen angefachten Reflexwellen zu einer Resonanzwellenbildung vereinen, die einen Luftstrom in den Abgasstrom veranlasst, der ausreicht, den Anteil an unverbrannten Bestandteilen der Abgase in einem merkbaren Umfang zumindestens in der unteren Hälfte des Bereichs der vorgesehenen Drehzahlen der Brennkraftmaschine zu verringern.

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2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abgasleitungen (61,62) über ein Y-Verbindungsstück (63) miteinander und mit einem gemeinsamen Auspuffrohr (64,65) verbunden sind.

3· Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abgasleitungen (61b,62b) untereinander durch ein Ausgleichsrohr (66) verbunden sind.

4. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Auslasskasten (13,14) eine gleiche Zahl von Iiuftzufuhrrohren (17) entsprechend der Zahl der an den Auslasskasten angeschlossenen Zylinder zugeordnet ist.

5· Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Achtzylinder-V-Brennkraftmaschine (10) der Abstand der Verbindung der beiden Abgasleitungen (61,62) von den Auslasskästen (13,14) nach der Formel bestimmt wird:

_L ₌ 12270 - 0.62? (A/M?S _{+ ß#4e} -(T/104)„_3e9

S + 231

L der Abstand der Verbindung (63) der beiden Abgasleitungen (61,62;61b,62b) von dem von diesen am weitesten entfernten

Auslasskasten (13;14) in egl. Puss; A der Strömungsquerschnitt der Abgasleitungen (61,62j 61b,62b) in engl. Quadratzoll;

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S die Drehzahl der Brennkraftmaschine bei maximalem veranlasstem luftstrom zu den Abgasen in U/min;

M die Zahl der Abgasleitungen (61,62; 61b,62b), die an den Auspufftopf (64) angeschlossen sind (bei Y-Yerbindung von zwei Abgasleitungen mit einem gemeinsamen Auspuffrohr (64) M=I; bei awei Abgasleitungen (61b,62b),die je mit einem Auspufftopf (64,65) und miteinander durch ein Ausgleichsrohr (66) verbunden sind, M = 2;

V das Volumen eines Auslasskastens (13,14) für vierZylinder ineagl. Kubikzoll und

e die Basis der natürlichen Logarithmen ist.

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