Umfeld der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abgassystem für einen
Verbrennungsmotor und kann sowohl für einen Motor mit
Fremdzündung, als auch für einen Dieselmotor verwendet werden.
Zusammenfassung der Erfindung
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Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Mehrzylindermotor-
Abgassammelleitungssystem angeboten, bestehend aus einer ersten
Sammelleitung mit Abzweigungen, die von individuellen
Auspufföffnungen des Motors bis zu einem Ablassrohr führen und einer
zweiten Sammelleitung zum Verbinden der Auspufföffnungen, die
ebenfalls Abzweigungen hat, die zu den individuellen Auspufföffnungen
des Motors führen, wobei die Querschnittsfläche jeder Abzweigung der
zweiten Sammelleitung dem Abgasfluss von dem dazugehörenden
Auslassventil gegenüberliegt, welches nicht weniger als 25% der
gesamten Öffnungszone beträgt, dadurch gekennzeichnet dass die
Abzweigungen der zweiten Sammelleitung, zusammen mit den
Abzweigungen der ersten Sammelleitung in den Öffnungen, in
unmittelbarer Nähe zu den Auslassventilen enden, wodurch ein grosser
Anteil des Abgasflusses, der vom Auslassventil eines Zylinders
abgelassen wird, von der entsprechenden Abzweigung der zweiten
Sammelleitung aufgenommen und durch die zweite Sammelleitung zu
den Auspufföffnungen der benachbarten Zylinder verteilt wird, wo die
Auslassventile geschlossen sind und dass er die Auspufföffnungen der
benachbarten Zylinder durch die entsprechenden Abzweigungen der
ersten Sammelleitung verlässt, wobei die geschlossenen Enden der
Auspufföffnungen in dem Vorgang gereinigt werden.
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Die Erfindung wird mit Dieselmotoren verwendet, weil die Gase, die das
Abgasablassrohr erreichen, nachdem sie durch die zweite
Sammelleitung und mehr als eine Auspufföffnung kommen, mehr Zeit
im Wärmekontakt mit dem Motorkörper verbringen und mehr Hitze an
das Kühlungssystem des Motors abgeben, wodurch eine schnellere
Erwärmung des Motors und des Fahrzeugs ermöglicht wird.
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Die Beheizung des Innenraums in Fahrzeugen mit einem Dieselmotor ist
oft problematisch, wegen der hohen Leistungsfähigkeit und der
niedrigen Wärmeabgabe derartiger Motore.
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Bei Fremdzündungsmotoren bietet die Erfindung den Vorteil, das
Ausströmen von Kohlenwasserstoff zu reduzieren, indem thermische
Verzunderung in unmittelbarer Nähe zum heissen Auslassventil durch
die Mischung sauerstoffreicher Zonen der Gase von einem Zylinder mit
den kohlenwasserstoffreichen Zonen gefördert wird, die dazu neigen, in
den ungereinigten Auspufföffnungen zu stagnieren.
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Falls gewünscht, kann die zweite Sammelleitung ebenfalls mit dem
Ablassrohr des Abgassystems durch ein Ventil verbunden werden, um
den Anteil der Gase zu verändern, die durch die zweite Sammelleitung
in Abhängigkeit mit der Betriebsart des Motors zurückgeleitet werden.
Dadurch kann bei hoher Drehzahl und Belastung des Motors das Ventil
ganz geöffnet sein, so dass alle Gase direkt, ohne Auswechseln zwischen
den Zylinderöffnungen abgelassen werden.
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Wenn das Abgassystem mit einem Turboauflader versehen ist, muss
dieser zwischen der ersten Sammelleitung und dem Ablassrohr
verbunden sein, während die Ablauföffnung zwischen der zweiten
Sammelleitung und dem Ablassrohr verbunden sein kann, wodurch die
Ablauföffnung als das proportionierende Ventil zwischen den
Sammelleitungen fungieren kann.
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In einem Motor mit einem Abgasumlauf (EGR) können die EGR-Gase gut
von der zweiten Sammelleitung durch ein EGR-Ventil genommen
werden, so dass die zum Motoreinströmsystem zurückgeleiteten Gase
die Gase sind, die aus unmittelbarer Nähe zu den Ablassventilen
kommen, wo die Zonen mit dem höchsten Kohlenwasserstoffgehalt dazu
neigen sich anzusammeln.
Vergleich mit dem früheren Fachwissen
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Aus dem früheren Fachwissen sind Systeme bekannt, die Rohre mit
kleineren Durchmessern enthalten, die mit den individuellen
Abgasverzweigungen verbunden sind und die sich nahe zu den
Auslassventilen öffnen. In diesen Fällen, die nachstehend einzeln
erörtert werden, sind die Durchmesser dieser zusätzlichen Rohre zu
klein, um die gleichen Ergebnisse wie in der vorliegenden Erfindung zu
erzeugen.
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Zuerst ist bekannt, dass Luft direkt in jede Auspufföffnung nahe der
Rückseite des Auslassventils eingespritzt wird, um die Verzunderung
von unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu fördern. Hier ist die
Ablasszone der Luftrohre viel kleiner als 25% der Öffnungszone
(typischerweise kleiner als 10%). Normalerweise ist das Ablassende
abgeklemmt und von der Seite her gebohrt, um Öffnungen zu bilden,
damit eine gleichmässige Verteilung des Flusses zwischen den Zylindern
gewährleistet wird.
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Zweitens ist die Lieferung von Rohren bekannt, die EGR-Gase von jeder
Auspufföffnung nahe der Rückseite jedes Auslassventils entnehmen. Die
Eingangszone des EGR-Rohrs ist viel kleiner als 25% der Öffnungszone
(typischerweise weniger als 10%). Normalerweise ist das Gewinde auf
der Wand der Öffnung gebildet, um zu vermeiden, dass der Abgasfluss
das Rohr verstopft.
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In beiden Fällen bilden die Rohre, wenn sie nicht im Betrieb sind, ein
verbindendes Netz, das dem dieser Erfindung gleicht und sie werden in
geringem Ausmass als eine ausgleichende Sammelleitung, ähnlich der
dieser Erfindung funktionieren. Aber sie sind ungeeignet, um die in
dieser Erfindung erwähnten und gewünschten Leistungen zu erbringen,
das heisst, erhöhte Wärmeübertragung vom Abgas zum Kühlwasser
und erhöhte Verzunderung zwischen den verschiedenen Ansammlungen
des Abgases, ohne die Einwirkung von eingespritzter Luft, da sie nicht
für eine genügende Querschnittsfläche ausgelegt sind, die dem
Abgasfluss gegenüberliegt, um den dynamischen Druck zu nutzen und
mindestens 25% des Abgasflusses vom Auslasszylinder zu den
Auspufföffnungen der benachbarten Zylinder zu verteilen.
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Der zurückgeleitete Fluss nach der vorliegenden Erfindung muss breit
genug sein, damit die gewünschten Leistungen wirksam sind. Keines der
Angebote des früheren Fachwissens bietet genügend gegenüberliegende
Querschnittsfläche, um die erforderlichen zurückgeleiteten Flüsse zu
schaffen, da die beabsichtigte Flussquantität in ihrer jeweiligen
Anwendung zur Lieferung von Luft oder zur Extraktion von EGR nicht
derartig breite Flusszonen benötigt. Denn es ist nicht wünschenswert,
die Flusszone unnötig zu vergrössern, da dies zu einer geringen
Flussverteilung zwischen den Zylindern, ungenauem Flussmessen und
annähernder Flusssteuerung führen würde, was alles vermieden
werden muss, um eine genaue Lufteinspritzung oder ein genaues EGR-
System zu gewährleisten.
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Ausserdem wurde irrtümlicherweise angenommen, dass das
Vorhandensein eines derartig breiten Rohrs den Abgasfluss zu sehr
verstopfen würde, ohne die Tatsache zu beachten, dass mit
benachbarten Zylindern verbundene Rohre, wie es in dieser Erfindung
beschrieben wird, keine wesentliche Verstopfung des gesamten
Abgasflusses in dem Abgas-Ablassrohr verursachen werden.
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EP-A-0 247 631, das angeblich das am nächsten liegende frühere
Fachwissen darstellt, erörtert ein Abgassystem zur Verwendung mit
einem Verbrennungsmotor, das eine Vielzahl von unabhängigen
Durchgängen enthält, von denen jeder mit einer Auspufföffnung eines
Zylinders verbunden ist, mindestens ein Verbindungsdurchgang wird
geliefert, um die unabhängigen Durchgänge miteinander an Punkten zu
verbinden, die oberstromig zu einem Anschluss liegen, wo die
unabhängigen Durchgänge zusammenlaufen. Der Verbindungsdurchgang
hat in diesem Fall eine Zone mit einem Überschuss von 25% der
gesamten Öffnungszone, aber er ist so ausgelegt, dass er ermöglicht, dass
die Abgase von einem Zylinder in die unabhängigen Durchgänge für die
anderen Zylinder fliessen, wodurch die Gastemperatur reduziert
werden kann, um einen verbesserten Kraftstoffverbrauch zu
bezwecken. Wegen dieses Funktionsunterschieds ist die Auslegung des
Verbindungsdurchgangs anders als die Auslegung der Abzweigungen
der zweiten Sammelleitung nach der vorliegenden Erfindung, insofern,
dass er nicht in den Öffnungen, in unmittelbarer Nähe zu den
Auslassventilen endet und dass er die Abgase eines Zylinders auf eine
Weise leitet, dass die Enden der geschlossenen Auspufföffnungen
anderer Zylinder gereinigt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird jetzt als Beispiel unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, von denen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines, mit dem Abgassystem nach
dieser Erfindung ausgestatteten Motors ist und
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Fig. 2 ein Querschnitt durch eine Auspufföffnung des auf Fig. 1
dargestellten Motors ist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Auslegung
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Die Zeichnungen stellen einen Motor mit einem Zylinderkopf 12 dar, mit
vier Zylindern, wobei jeder zwei Einlassventile 14, zwei Auslassventile
18 und eine Zündkerze 16 hat. Das Auslassventil 18 jedes Zylinders
führt zu einer gemeinsamen Auspufföffnung 20, aus der die Gase in
zwei separate Sammelleitungen fliessen.
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Die erste Sammelleitung 24 hat einen gemeinsamen Bläser und vier
individuelle Abzweigungen 22, die vom Bläser zu den individuellen
Auspufföffnungen 20 führen. Ein Ablassrohr 26 führt vom
gemeinsamen Bläser durch einen katalytischen Wandler und einen
Schalldämpfer (Auspufftopf), die nicht dargestellt sind, in die
Umgebung. Die dargestellte Auslegung enthält ebenfalls einen
Turboauflader 28, der im Ablassrohr 26 angebracht ist und zum
Unterdrucksetzen des Lufteintritts dient.
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Die zweite Sammelleitung 34 hat einen Bläser, der mit den individuellen
Auspufföffnungen 20 durch Abzweigungen 32 verbunden ist, die
ebenfalls den Auslassventilen 18 gegenüberliegen und in den
Auspufföffnungen 20 nahe der Auslassventile 18 enden. Der Querschnitt
der Abzweigungen 32, die dem Abgasfluss gegenüberliegen, nimmt ein
Minimum von 25% der Querschnittsfläche der Auspufföffnung 20 ein
und eine maximale Fläche, die von der Anzahl der Zylinder in der Bank
abhängt. Im allgemeinen, wenn die Bank N Zylinder hat, dann sollte der
Anteil der Auspufföffnung, der von der Abzweigung 32 der zweiten
Sammelleitung eingenommen wird, (N-1)/N nicht überschreiten.
Deshalb sollte für eine Bank mit 2 Zylindern die Abzweigung 32 nicht
50% der Öffnungsfläche überschreiten und für eine Bank mit 4
Zylindern sollte die Abzweigung 32 nicht 75% der gesamten
Öffnungsfläche überschreiten. Vorzugsweise werden die zweiten
Abzweigungen 32 derartig dimensioniert, dass sie so nah wie möglich zu
den maximalen, oben angegebenen Werten liegen, da sich daraus die
beste Flussverteilung mit der gleichmässigsten Durchflussrate durch die
Auspufföffnungen aller Zylinder ergibt. Im wesentlichen gewährleistet
die oben angegebene Formel für den maximalen Wert des Querschnitts
der Abzweigung 32, die dem von dem offenen Auslassventil
abgestossenen Fluss gegenüberliegt, dass im wesentlichen gleichmässige
Durchflussraten von den Auspufföffnungen aller Zylinder, als ein
Ergebnis des einen geöffneten Ventils abgelassen werden.
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Der Fluss wird durch die zweite Sammelleitung, nicht durch statischen
Druck, sondern den dynamischen Druck geleitet, der am Eingang der
Abzweigung 32 gebildet wird, die von der kinetsichen Energie der Gase
angetrieben wird, die aus dem offenen Auslassventil strömen. Wenn die
Gase danach aus dem gemeinsamen Bläser der zweiten Sammelleitung
in eine Auspufföffnung mit einem geschlossenen Ventil strömen, folgen
die Gase einem U-Fluss und reinigen das geschlossene Ende der
Auspufföffnung, um irgendwelche kohlenwasserstoffreiche Blasen, die
sonst stagnieren könnten, zu entfernen. Die Zurückleitung der Abgase
durch mehr als eine Auspufföffnung, bevor sie endgültig ausgestossen
werden, verbessert die Wärmeübertragung zwischen den Abgasen und
dem Kühlwasser des Motors, wobei ermöglicht wird, dass das
Motorkühlwasser sich schneller erwärmt, was bei einem Dieselmotor
besonders wichtig ist.
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Die beiden Abzweigungen 22, 32, die mit jeder Auspufföffnung 20
verbunden sind, teilen die Öffnung wirklich zwischen sich auf und die
Geometrie der Unterteilung ist nicht kritisch. Folglich kann eine der
Abzweigungen ein Rohr sein, das sich in die Öffnung, wie auf Fig. 1
dargestellt, erstreckt oder eine Unterteilungswand 30 kann in der
Öffnung, wie auf Fig. 2 dargestellt, gebildet werden, um die
individuellen Abzweigungen zu begrenzen. Die wichtigen Faktoren sind
die Zonen der Abzweigungen und die Tatsache, dass ihre offenen Enden
den Auslassventilen gegenüberliegen und sich nah zu ihnen befinden
müssen.
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Im Fall der Auslegung der Fig. 1 ist der Bläser der ersten
Sammelleitung 34 ebenfalls mit dem Ablassrohr 26 an einem
unterstromigen Punkt des Turboaufladers 28 durch ein
proportionierendes Ventil 52 verbunden, das die Ablauföffnung des
Turboaufladers 28 sein könnte. Ausserdem werden EGR-Gase vom
gemeinsamen Bläser der zweiten Sammelleitung 34, nach dem EGR-
Ventil 50 entnommen.
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Das Ventil 52 kann den Anteil der zu anderen Öffnungen durch die
zweite Sammelleitung 34 zurückgeleiteten Gase verändern. Wenn das
Ventil 52 ganz geöffnet ist, zum Beispiel während eines Betriebs mit
voller Last, werden die Abgase von beiden Sammelleitungen direkt
zum Ablassrohr ausgestossen. Dadurch wird unter hoher Belastung nur
die normale Menge Hitze zum Motorkühlwasser übertragen und es
besteht kein Risiko dass der Motor heissläuft.
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Das Abgassystem bietet zwei geeignete Stellen zum Anbringen eines
Abgas-Sauerstoff-Messfühlers (EGO- oder HEGO-Messfühler), im Fall
einer für das Betriebssystem des Motors gefordert wird. Wenn
gewünscht wird, dass der EGO-Messfühler auf die
Durchschnittsmischung über alle Zylinder ansprechen soll, dann kann er
sich im Ablassrohr 26 befinden. Sonst, wenn gewünscht wird, dass er
die Variationen zwischen den individuellen Zylindern erfassen soll, dann
kann der Messfühler sich im gemeinsamen Bläser der zweiten
Sammelleitung 34 befinden, wo dann die Entleerungen aus den
individuellen Zylindern stattfinden.
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In starkem Kontrast mit dem in EP-A-0 247 631 erörterten
Verbindungsdurchgang, der die Abgase abkühlen soll, bevor sie einen
Turboauflader erreichen, ist es in der vorliegenden Erfindung
wünschenswert, Schritte zu unternehmen, damit gewährleistet wird,
dass die zweite Sammelleitung 34 und ihre Abzweigungen 32 so warm
wie möglich laufen. Zu diesem Zweck können sie aus dünnem
Kalibermetall sein, damit sie eine niedrige Wärmekapazität besitzen und
sie können thermisch von der Umgebung isoliert sein. Auf diese Weise
wird Wärmeverlust von den zurückgeleiteten Gasen auf ein Minimum
während des Erwärmens des Motors reduziert und die warmen
Oberflächen, die sich in den Auspufföffnungen befinden, fördern die
Nachflammenverzunderung der unverbrannten
Kohlenwasserstoffblasen in den Abgasen. Dies stellt wieder einen Kontrast zu
EP-A-0 247 631 dar, in dem vorgezogen wird, den
Verbindungsdurchgang mit einer mit Kühlwasser gefüllten
Abschirmung zu umgeben.
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Es sollte ebenfalls beachtet werden, dass während in EP-A-0 247 631
individuelle Drosselklappen im Verbindungsdurchgang geliefert werden,
um die individuellen Öffnungen, falls gewünscht, vollständig
voneinander zu isolieren, in der bevorzugten Auslegung der
vorliegenden Erfindung immer eine Wechselverbindung zwischen den
individuellen Öffnungen besteht, durch die Abzweigungen der zweiten
Sammelleitung, aber das Verhältnis der Gase, die zu den
Ventil 52 verändert wird, das einen kürzeren Ausgangsweg für die
Abgase liefert.
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Die Drosselklappen im Patent des früheren Fachwissens sind bei hoher
Belastung offen, um den längsten Weg für die Abgase zu liefern, so dass
die Kühlung verbessert wird, aber sie sind unter niedriger Belastung
geschlossen, während in der vorliegenden Erfindung die Wirkung des
Öffnens des Ventils 52 unter hoher Belastung den Abgasen, die von den
Abzweigungen der zweiten Sammelleitung angesammelt wurden,
ermöglichen soll, durch den kürzesten Weg in die Umgebung
ausgestossen zu werden.