DE3788521T2

DE3788521T2 - Hochleistungsauspuffanlage für Brennkraftmaschinen.

Info

Publication number: DE3788521T2
Application number: DE91122329T
Authority: DE
Inventors: Hideaki Kitta
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1986-09-13
Filing date: 1987-09-08
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2007-09-09
Also published as: EP0479342A2; EP0479342B1; CA1317834C; JPH0819853B2; DE3788521D1; ES2033756T3; JPS6371515A; EP0479342A3; DE3780733D1; EP0260582B1; EP0260582A1; ES2049518T3; US4817374A; DE3780733T2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit innerer Verbrennung, die eine Brennkammer, einen Auspuffauslaß, um Auspuffgase aus der genannten Brennkammer auszubringen, ein Auspuffrohr, das sich von dem genannten Auspuffauslaß aus erstreckt, um Auspuffgase von dort wegzufördern, und eine Ausdehnungskammer aufweist, die mit dem genannten Auspuffrohr in Verbindung steht (vgl. z. B. US- A 3 453 824).
Es ist bekannt, daß bei Vier- und Zwei-Takt-Motoren Auspuffgase absatzweise in die Auslaßventile geführt werden, wodurch die Trägheits- und Pulsierungswirkungen der Auspuffgase in dem Auspuffrohr erzeugt werden. Die Wirkungen (dynamische Wirkungen genannt) ändern sich mit der Motordrehzahl. Deshalb sollten die dynamischen Wirkungen maximiert werden, um bei einer gewissen Drehzahl einen volumetrischen Wirkungsgrad zu erhöhen, wobei die dynamischen Wirkungen entgegenwirken können, den volumentrischen Wirkungsgrad bei anderen Drehzahlen übermäßig zu verringern. Es hat deshalb eine solche Schwierigkeit bestanden, daß, wenn die Angaben (Auspufflänge und Auspuffrohr) der Auspuffanlage eingestellt werden, die optimalen, dynamischen Wirkungen innerhalb des Bereiches hohe Drehzahlen zu erhalten, sich eine äußerste Abnahme beim Drehmoment (Drehmomenttal) in dem mittleren Drehzahlbereich ergibt.
Es wird deshalb überlegt, ein Auspuffsteuerventil zum Ändern der Fläche des Auspuffströmungsweges in der Nähe des offenen Endes des Auspuffrohrs vorzusehen, das mit der Ausdehnungskammer verbunden ist, so daß die Fläche des Strömungsweges innerhalb des Drehzahlbereiches abnimmt, in dem der volumetrische Wirkungsgrad abnimmt, und daß die Fläche des Strömungsweges innerhalb anderer Drehzahlbereich zunimmt.
Sollten bei einem Mehrzylindermotor die Auspuffrohre mit der stromabwärtigen Seite in der Ausdehnungskammer verbunden sein, kann sich ein verringerter, volumentrischer Wirkungsgrad und ein verringertes Drehmoment aufgrund der Auspuffstöhrung zwischen den Zylindern ergeben. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, ist deshalb überlegt worden, ein Auspuffsteuerventil in jedem Auspuffrohr vorzusehen und den Bereich des Auspuffströmungsweges durch Schließen des Steuerventils innerhalb des Drehzahlbereiches zu verringern, in unter dem eine nachteilige Wirkung wegen des Vorhandenseins der Auspuffstörung auftritt.
Es ist auch überlegt worden, ein Auspuffsteuerventil in das Auspuffrohr einzuführen, um die Verbrennung durch Steuern des Rückdrucks zu verbessern oder die Auspuffgaskomponente durch Steuern der eigenen Auspuffgasrückführung zu steuern.
Wie es oben angegeben worden ist, wird überlegt, Auspuffsteuerventile in Auspuffrohren vorzusehen, die die Fläche des Auspuffströmungsweges für verschiedene Zwecke ändern, wie Verbesserungen bei dem volumentrischen Wirkungsgrad und der Verbrennung, und der Steuerung der Auspuffgasanteile. Bei einer Mehrzylindermaschine mit einer Mehrzahl von Auspuffrohren jedoch ergibt sich ein solches Problem, daß ein Auspuffsteuerventil in jedes Auspuffrohr eingesetzt werden muß und die einzelne Steuerung von jedem Auspuffrohr die Auspuffanlage verkompliziert.
Auch wenn die Ventilschäfte von jedem Auspuffsteuerventil gemeinsam verwendet werden, tritt ein solcher Nachteil auf, daß der Ventilschaft sich stark mit der Wärme ausdehnt, und daß ferner die Art der Anordnung der Auspuffrohre in Abhängigkeit von der Lage der Auspuffrohre begrenzt ist, wodurch die Konstruktionsfreiheit beim Bestimmen der Lage der Auspuffrohre abnimmt.
Die vorliegende Erfindung hat die Zielsetzung, den volumentrischen Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, insbesondere innerhalb eines mittleren Drehzahlbereiches, zu erhöhen.
Diese Zielsetzung wird durch den Gegenstand des Anspruches 1 gelöst.
Die positive Druckwelle, die durch das Öffnen des Auslaßventils der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung erzeugt wird, breitet sich mit Schallgeschwindigkeit innerhalb des Auspuffrohres aus, wobei sie sich schnell an dessen offenem Ende ausdehnt, um eine Unterdruckwelle zu erzeugen, die sich in der umgekehrten Richtung mit Schallgeschwindigkeit innerhalb des Auspuffrohres zurück in das Auslaßventil des Motors ausbreitet. Wenn die einstellbare reflektierende Einrichtung geschlossen bleibt, wird die positive Druckwelle, die durch das Öffnen des Auslaßventils erzeugt wird, durch diese reflektierende Einrichtung reflektiert, wodurch sie als eine positive Druckwelle mit Schallgeschwindigkeit zurück zu dem Auslaßventil strömt. Demgemäß wird, wenn die einstellbare reflektierende Einrichtung so gesteuert wird, daß der Bereich des Auspuffströmungsweges auf die Hälfte verringert wird, die Summe aus Unterdruckwelle, die an dem offenen Ende des Auspuffrohres erzeugt wird, und der positiven Druckwelle zu Null wird, die durch die reflektierende Einrichtung reflektiert wird. In diesem Fall wird die Pulsierungswirkung ausgeschlossen, und deshalb kann das Absinken des volumetrischen Wirkungsgrades (Erzeugen eines Drehmomenttals) in den mittleren Drehzahlbereich begrenzt werden.
Die Erfindung wird nun weiter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Vorderansicht eines Auspuffsystems eines Motorrades gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 u. Fig. 3 sind eine Seitenansicht und eine Draufsicht davon;
Fig. 4 ist eine Seitenansicht eines Motorrades, das dieses Auspuffsystem verwendet;
Fig. 5 ist eine Seitenschnittansicht einer Auspuffsteuerventilvorrichtung;
Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die längs der Linie VI-VI genommen ist; und
Fig. 7 u. Fig. 8 ist eine Draufsicht bzw. linke Seitenansicht;
Fig. 9 u. Fig. 10 sind Ansichten, die Auspuffsteuerventilvorrichtungen anderer Ausführungsformen zeigen.
Fig. 1 ist eine Vorderansicht, des Auspuffssystems eines Motorrades, das bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist; Fig. 2 und 3 sind eine Seitenansicht und eine Draufsicht davon; Fig. 4 ist eine Seitenansicht eines Motorrades, das dieses Auspuffsystem verwendet; Fig. 5 ist eine Seitenschnittansicht einer Auspuffsteuerventilvorrichtung; Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die längs der Linie VI-VI davon genommen ist; und Fig. 7 und 8 sind eine Draufsicht bzw. eine linke Seitenansicht.
In Fig. 4 ist das Bezugszeichen 10 eine Vier-Takt-Vierzylinder-Maschine, die in der Nähe der Mitte eines Motorradrahmens angebracht ist. Diese Maschine 10 hat einen Zylinder 14, der sich schräg nach oben von dem Kurbelgehäuse 12 erstreckt. Das Auspuffsystem ist mit vier Auspuffrohren 16 (16a-16d), die sich von der Vorderseite des Zylinders 14 noch unterhalb des Kurbelgehäuses 12 erstrecken, einer Auspuffsteuerventilvorrichtung 18, die an dem rückwärtigen Ende dieser Auspuffrohre 16 verbunden ist und Auspuffgase aufnimmt, und einem Schalldämpfer 22 versehen, der die Auspuffgase gesammelt in eine Ausdehnungskammer 20 dieser Auspuffsteuerventilvorrichtung 18 in leitet (siehe Fig. 5).
In Fig. 4 bedeutet 24 ein Vorderrad, 26 eine Lenkstange, 28 ein Hinterrad, 30 eine Treibstofftanküberdeckung und 32 einen Sitz. Ferner bedeuten 34 eine Verkleidung, die die Maschine 10, die Auspuffrohre 16 und die rechte und linke Seite und den unteren Teil der Auspuffsteuerventilvorrichtung 18 überdeckt.
Die Auspuffsteuerventilvorrichtung 18 hat eine Mehrzahl von Auspuffsteuerdrosselklappen 36 (36a-36d), die die Fläche des Auspuffdurchlasses von jedem Auspuffrohr 16 ändern. Diese Vorrichtung 18 hat nämlich einen Körper 18a, der runde Bohrungen (38a-38d) hat, die mit jedem Auspuffrohr 16 in Verbindung sind und bei der Mitte ein regelmäßiges Quadrat bilden; eine Verzweigung 18b, die die vorgenannte Ausdehnungskammer 20 bildet; zwei Ventilschäfte 40a, 40b, die nicht koaxial und horizontal durch die runden Bohrungen 38a, 38d in der oberen Stufe und die runden Bohrungen 38b, 38c in der unteren Stufe angebracht sind; eine Rolle 42 als ein Dreheingabeglied, das an dem rechten Ende des Ventilschaftes 40a befestigt ist; Hebel 44a, 44b, die an dem linken Ende in beiden Ventilschäften 40a, 40b; befestigt sind und einen Lenker 46, der die sich drehenden Enden beider Hebel 44a, 44b verbindet. Der Hebel 44 und der Lenker 46 sind nämlich kombiniert, einen Verbindungsmechanismus A als ein Drehübertragungsmechanismus zu bilden, der beide Ventilschäfte 40 synchron dreht. An jedem der Ventilschäfte 40 sind runde Ventilscheiben 48 (48a-48d) befestigt, die in den jeweiligen runden Bohrungen 38 angeordnet sind.
Die Rolle 42, die an dem rechten Ende des Ventilschaftes 40a befestigt ist, wird gezwungen, sich in beide Richtungen durch einen Servomotor 42 über einen Draht 50 (siehe Fig. 3) zu drehen. Dieser Servomotor 42 wird durch eine Steuerschaltung 56 so gesteuert, daß er in Übereinstimmung mit einer Maschinendrehzahl, die beispielsweise von einer Zündvorrichtung 54 erfaßt wird, jedes Steuerventil 36 innerhalb eines Drehzahlbereiches schließt, in dem der volumetrische Wirkungsgrad abnimmt, und innerhalb anderer Drehzahlbereich öffnet.
Wenn deshalb der Durchmesser und die Länge der Auspuffrohre 16 so festgelegt sind, daß der volumetrische Wirkungsgrad innerhalb des Hochdrehzahlbereiches der Maschine 10 zunimmt, steuert die Steuerschaltung 56 den Servomotor 52 so an, daß das Auspuffsteuerventil 36 in dem mittleren und unteren Drehzahlbereich geschlossen wird. Die Auspuffsteuerventile in der unteren Stufe 36b, 36c werden gesteuert, sich zu demselben Öffnen innerhalb des Bereiches von ungefähr 45 Grad (siehe Fig. 5 und 8) durch den Verbindungsmechanismus A gleichzeitig mit den Auspuffsteuerventilen in der oberen Stufe 36a, 36b zu öffnen.
Die positive Druckwelle, die durch das Öffnen des Auslaßventils der Maschine 10 erzeugt wird, breitet sich mit Schallgeschwindigkeit innerhalb des Auspuffrohres 16 aus, wobei sie sich schnell an dessen offenem Ende ausdehnt, eine Unterdruckwelle zu erzeugen, die sich in der umgekehrten Richtung mit Schallgeschwindigkeit innerhalb des Auspuffrohres 16 zurück zu dem Auslaßventil der Maschine 10 ausbreitet. Wenn das nahe diesem offenen Ende angeordnete Auspuffsteuerventil 36 geschlossen bleibt, wird die positive Druckwelle, die durch das Öffnen des Auslaßventils erzeugt wird, von diesem Auspuffsteuerventil 36 reflektiert, wobei sie als eine positive Druckwelle zurück mit Schallgeschwindigkeit zu dem Auslaßventil läuft. Demgemäß wird, wenn das Auspuffsteuerventil 36 so gesteuert wird, daß die Fläche des Auspuffströmungsweges auf die Hälfte verringert wird, die Summe aus der Unterdruckwelle, die an dem offenen Ende des Auspuffrohres erzeugt wird und zurückläuft, und der positiven Druckwelle zu Null, die von dem Auspuffsteuerventil 36 reflektiert wird. In diesem Fall wird die pulsierende Wirkung ausgeschlossen, und deshalb kann das Absinken des volumetrischen Wirkungsgrades (Erzeugen eines Drehmomenttals) innerhalb des mittleren Drehzahlbereiches begrenzt werden.
Um dieses Auspuffsteuerventil 36 zum Zweck des Verhinderns des Absinkens des Drehmomentes durch eine Auspuffstörung unter den Zylindern zu verwenden, wird dieses Auspuffsteuerventil 36 innerhalb eines Drehzahlbereiches geschlossen, in dem ein übermäßiges Absinken des Drehmoments stattfindet, das durch die Auspuffgasstörung bewirkt wird. Wenn dieses Auspuffsteuerventil 36 innerhalb des niederen Drehzahlbereiches geschlossen wird, kann das Auspuffsteuerventil verwendet werden, wobei die Fläche des Auspuffströmungsweges um ungefähr 70 Prozent gedrosselt werden kann oder die Öffnung auf ungefähr 30 Prozent verringert wird.
Das Außenrohr des Drahtes 50 wird durch einen äußeren Ansatz 58 gehalten, der an dem Verteiler 18b befestigt ist (siehe Fig. 7). Es ist wünschenswert, den Körper 18a mit einem Erleichterungsloch 60 geeigneter Größe an einer geeigneten Stelle zu versehen, um die Wärmeverformung des Körpers 18a zu verringern (Fig. 6).
Diese bevorzugte Ausführungsform wendet die vorliegende Erfindung bei Motorrädern an, wobei Auspuffrohre 16a und 16d und 16b und 16c in zwei Stufen, einer oberen und einer unteren, unter der Maschine 10 angeordnet sind; demgemäß ist es möglich, die Weite des Auspuffsystems unter der Maschine zu verringern und den Abschrägungswinkel des Fahrzeugkörpers zu erhöhen.
Da die Rolle 42 an dem Ventilschaft 40a in der oberen Stufe angebracht ist, sind der Draht und der äußere Vorsprung des Drahtes in hohen Positionen festgelegt; deshalb kann die Weite des unteren Teils der Auspuffsteuerventilvorrichtung 18 bei kleiner Größe gehalten werden. Demgemäß kann ein großer Abschrägungswinkel selbst dann aufrechterhalten werden, wenn eine Verkleidung zu ihrem Überdecken angebracht wird.
Die Fig. 9 und Fig. 10 sind Ansichten, die die Anordnung von jedem Auspuffsteuerventil 36 anderer Ausführungsformen zeigen. Diese Ausführungsformen sind wie die vorstehende Ausführungsform beabsichtigt, um das Auspuffsteuerventil 36 unter der Maschine eines Motorrades anzuordnen. Bei der Ausführungsform in Fig. 9 sind runde Bohrungen 38b, 38c in der unteren Stufe der vier runden Bohrungen 38 nahe der Mitte in Weitenrichtung der Maschine 10 angeordnet, während die runden Bohrungen 38a, 38d in der oberen Stufe in der Außenseite angeordnet sind. Bei der Ausführungsform in Fig. 10 sind die runden Bohrungen 38b in der unteren Stufe der runden Bohrungen 38 außerhalb der runden Bohrungen 38a, 38c in der oberen Stufe angeordnet. Gemäß diesen Ausführungsformen, insoweit als die Auspuffrohre in der unteren Stufe an einer höheren Stelle angeordnet werden können als bei den Ausführungsformen, die in Fig. 1 bis 8 gezeigt sind, kann der größere Abschrägungswinkel des Fahrzeugs als bei den in Fig. 1 bis 8 gezeigten Ausführungsformen aufrechterhalten werden, so daß die Wendemöglichkeit weiter verbessert wird. In diesen Fig. 9 und 10 werden die gleichen Bezugszeichen für entsprechende Teile verwendet, die in Fig. 6 gezeigt sind, deren Beschreibung deshalb nicht wiederholt wird.
Bei jeder der vorgenannten Ausführungsformen können die Auspuffsteuerventile 36, die in der Nähe des offenen Endes des Auspuffrohres 16 zu der Ausdehnungskammer 20 angebracht sind, an einer anderen Position des Auspuffrohres 16 gemäß dem Zweck des Auspuffsteuerventils verbunden werden. Wenn es beispielsweise für den Zweck der Rückdrucksteuerung und eigenen Auspuffgasrückführung ist, ist es wünschenswert, daß Auspuffsteuerventil an einer Stelle nahe der Maschine 10 zu befestigen. Auch kann das Auspuffsteuerventil der stromabwärtigen Seite des offenen Endes des Auspuffrohres 16 benachbart angeordnet werden.
Wenn ferner die Auspuffsteuerventile in der oberen Stufe vor oder hinter die Auspuffventile in der unteren Stufe bewegt werden, wird es möglich, ein geeignetes Auspuffsteuerventil 36 in der optimalen Lage anzubringen, indem es nach vorne oder hinten gemäß einem Längenunterschied von jedem Auspuffrohr 16 eingestellt wird, der durch die Bearbeitung bewirkt wird. Übrigens ist es möglich, eine Störung zwischen der Maschine und dem Auspuffsteuerventil auszuschließen, indem die Lage von jedem Auspuffrohr in der Weitenrichtung geändert wird, wodurch die Konstruktionsfreiheit stark erhöht wird.
Obgleich der Drehübertragungsmechanismus wünschenswerterweise eine Lenkerkonstruktion ist, sieht man, daß auch Zahnräder verwendet werden können, um die jeweiligen Ventilschäfte miteinander zu verbinden. Dieser Drehübertragungsmechanismus, wie er bei der Ausführungsform beschrieben ist, kann nicht nur an dem Ende des Ventilschaftes 40 auf der gegenüberliegenden Seite der Rolle 42 sondern auch auf der gleichen Seite wie das Dreheingabeglied, wie eine Rolle, angebracht werden. Das Dreheingabeglied kann nicht nur die Rolle sondern auch ein Glied, wie ein Hebel, sein.

Claims

1. Verbrennungskraftmaschine mit innerer Verbrennung, welche eine Brennkammer aufweist, einen Auspuffauslaß, um Auspuffgase aus dieser Brennkammer auszubringen, ein Auspuffrohr (16), welches sich von diesem Auspuffauslaß aus erstreckt, um Auspuffgase davon wegzufördern, und eine Ausdehnungskammer (20), wobei dieses Auspuffrohr mit einem Ende in Verbindung mit dieser Ausdehnungskammer steht, und welche dieses Auspuffrohr ausbringt, gekennzeichnet durch Reflektionsmittel (36), die einstellbar gegenüberliegend dem Ende dieses Auspuffrohres angeordnet sind, um eine variable Reflektionsfläche an dem Ende dieses Auspuffrohres zu ergeben, an welche akustische Wellen in den Auspuffgasen in diesem Auspuffrohr reflektiert werden, um den Druck an diesem Auspuffauslaß zu reduzieren, und wahlweise betätigbare Mittel (52, 40), um die effektive Fläche dieser Reflektionsmittel in Reaktion auf eine Betriebsbedingung in der Maschine einzustellen.

2. Eine Auspuffsteuereinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung zumindest drei Auspuffrohre beinhaltet.

3. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung eine Vier-Takt-Vierzylindermaschine ist.

4. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflektionsmittel derart gesteuert wird, daß die Fläche der Auspuffströmung um eine Hälfte reduziert wird.