DE2712663A1

DE2712663A1 - Vorrichtung zur umlenkung eines abgasstromes

Info

Publication number: DE2712663A1
Application number: DE19772712663
Authority: DE
Inventors: Istvan Dipl Ing Geiger; Rudolf Ing Grad Krapf
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Volkswagen AG
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Volkswagen AG
Priority date: 1977-03-23
Filing date: 1977-03-23
Publication date: 1978-09-28
Also published as: US4155339A

Description

VOLKSWAGSiTWERK BROWiSf, BOVERI lc CIS

Aktiengesellschaft Aktiengeaellschaft

3180 Wolfsburg 6800 Mannheim

* 1 -1 77

Unsere Zeichen: K 2306
17O2pt-we-jä

Vorrichtung zur Umlenkung eines Abgasstromes

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung aur Unilenkung eines durch ein Abgassammeirohr aus einer Brennkraftmaschine austretend3n Abgasstromes in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, wobei der Abgasstrom in einer ersten Betriebsstellung einer ersten über einen Abgasschalldämpfer in die Atmosphäre führenden Leitung und in einer zweiten Betriebsstellung einer zweiten zunächst zu einem Wärmetauscher zwecks Vorwärmung der angesaugten Luft oder des Luft-Brennstoff-Gemisches und dann erst in die Atmosphäre führenden Leitung zuführbar ist.

Um insbesondere beim Kaltstart und in der Warmlaufphase von Brennkraftmaschinen das Laufverhalten und die Abgasqualität zu verbessern, ist

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es bereits bekannt, die der Brennkraftmaschine zugeführt·? Luft beziehungsweise das in einem Vergaser aufbereitete Brennstoff-Luft-Gemisch durch die aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgase vorzuwärmen. Da jedoch eine derartige Saugrob >* vorwärmung eine Verringerung des Fiillungsgrades der Brennkraftmaschine infolge dar Erhöhung des spezifischen Volumens des angesaugten Gemisches bewirkt, soll diese Vorwärmung im Vollastbereich der Brennkraftmaschine zwecks Verinaidung von Leistungsverlusten unterbleiben.

Es ist daher schon vorgeschlagen vorden, in der Abgasleitung eine Unlenkklappe anzuordnen, die den Abgasstrom nach Bedarf dem die Jaug,-rohrvorwärmung besorgenden Wärmotauscher oder aber unter Umgehung des Wärmetauschers einem, direkt in die Atmosphäre führenden Abgasschalldämpfer zuleitet. Schwierigkeiten entstehen bei einer derartigen Anordnung deshalb, weil das unizulenkende Abgas sehr hohe Temperaturen aufweist, aggressiv ist und auQardem noch eine Heiho von Ysxunreinigaagen aas den Verbrennungsrückständen sit fährt. Bas Material der Smlenkklappe muß diesen Belastungen nun standhaften können* vashalb ein aufwendiger und. teurer Werkstoff verwendet werden muß, Besondere Problem« ergeben sieh zudem bei der Lage3-ung der Umlenkklapp?, up. ή?.ο Lagerstellen durch die Verunreinigungen leicht zugesetzt werden vind die Betätigung der Klappe daait erheblich erschwert, imter üsständen. sogar vollständig verhindert wird.

Sie der Erfindung sugrundeliaf-eade Aufgabe besteht nun darin, eine Vorrichtung sur Umlenkung des Abgasstromes der eingangs genannten Ai-t zu schaffen» die unter Vermeidung der zuvor erwähnten Nachteile auch höchsten Tesperaturbelaatungen durch das aggressive Ab^jsa schadlos standhält und dabei möglichst einfach und mit wenig Kostenaufwaiid herstellbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt £0ϊ.ια3 der Ί5ν£ίηάν.η£ durch ein ströiBungsmechanisches Sloment mit einer von dem Ablass tro^. beaufschlagt an düsenartigen Verengung und mit zwei hinter einer Erweiterung angeordneten Ausgängen, die mit der ersten und der zweiten Leitung verbunden

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ORIGINAL INSPECTED

sind und mit hinter der düsenartigen Verengung angsordneten Steuerleitungsanschlüssen, durch deren Beaufschlagung der Abgasstrom von dem einen zum anderen Ausgang umlenkbar ist. Das Prinzip der von der Erfindung vorgesehenen Abgassteuerung ist von den sogenannten FIuidik-Elementen an sich bekannt. Diese im wesentlichen ohne bewegte Teile arbeitenden Elemente vermögen unter Ausnutzung des Coanda-Effektes eine Fluid-Strömung zu steuern, wozu lediglich Steuerstrahlen geringer Leistung benötigt werden. Der Coanda-Effekt tritt in der Grenzschicht eines strömenden Mediums auf und sorgt dafür, daß ein aus einer Düse austretender Fluid-Strahl sich an einer benachbarten Wand anlegt und dort haften bleibt. Durch die Geometrie der Strömungskanäle und durch unterschiedliche Druckbeaufschlagung von hinter der Düse angeordneten Steuerleitungsanschlüssen kann die Richtung der Strömung mit hoher Sicherheit und Schnelligkeit gesteuert werden.

Dieses Strömungssteuerungsprinzip Iä8t sich auch mit großem Vorteil auf die Steuerung einer Abgasströmung anwenden, indem das Abgas durch eine düsenartige Verengung geleitet wird und durch unterschiedliche BaaufJchlagung v?o in dem Erwciterunjsraum hinter dar Düse ainmündenden Steuerleitungsanschlüssen/von^ezwei Kanalausgängen gelenkt wird. An diese Kanalausgänge sind die zum Abgasschalldämpfer beziehungsweise Wärmetauscher führenden Leitungen angeschlossen.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung soll das strömungsmechanische Element monostabil ausgebildet sein mit zwei asymmetrisch zu der düsenartigen Verengung angeordneten Ausgängen, wobei der von der Strömung bevorzugte Ausgang mit der direkt zu dem Abgasschalldämpfer führenden Leitung verbunden ist. Um eine Umschaltung des monostabil arbeitenden strömungsmechanisdi en Elementes erreichen zu können, ist entweder auf der Seite des von der Strömung bevorzugten Ausganges ein mit der Atmosphäre oder auch mit einer Überdruckstelk verbundener Steuerleitungsanschluß oder auf der gegenüberliegenden Seite ein mit einem Unterdruck, z. B. mit einer Unterdruck-

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stelle im Saugrohr der Brennkraftmaschine, verbindbarer Steuerleitungsanschluß vorgesehen. Dabei kann den Steuerleitungsanschlüssen eine in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine und/oder einer charakteristischen Temperatur der Brennkraftmaschine gesteuerte Ventilvorrichtung zugeordnet sein. Auf diese Vteise werden die Steuerleitungsanschlüsse temperatur- und/oder leistungsabhängig mit Atmosphärendruck oder Überdruck beziehungsweise Unterdruck beaufschlagt und damit die Umlenkung der Strömung wunschgemäß gesteuert. Weitere Merkmale sind in den Unteranaprüchen enthalten und werden im folgenden anhand eines in d^r Zeichnung dargestellten Au3-führungsbeispieles der Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung keigt in

Figur 1 ein schemat'isches Schaltbild einer mit einer erfindungsgemäßen Abga3-Umlenkvorrichtung ausgerüsteten Brennkraftmaschine und

Figur 2 eine Draufsicht auf die als strömungsmechanisches Element ausgebildete Umlenkvorrichtung.

In der iigur 1 der Zeichnung ist mit 1 eine Brennkraftmaschine, beispielsweise ein Kraftfahrzeugmotor,bezeichnet, die über einen Ansaugtrichter 3 Luft aus der Umgebung ansaugt. Dieser Luft wird in einem nachgeschalteten Vergaser 2 Kraftstoff zugeführt, und das auf diese Weise erzeugte Kraftstoff-Luft-Gemisch wird über ein Saugrohr 5 gleichmäßig auf die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine 1 verteilt.

Das bei der Verbrennung in der Brennkraftmaschine entstehende Abgas wird über einen Abgasstutzen 7 einem allen Zylindern gemeinsamen Abgassammelrohr 8 zur Weiterleitung in die Atmosphäre zugeführt. An das Abgassammeirohr 8 ist, wie aus der Figur 1 weiter hervorgeht, eine Owlesk&Qxxichiung S angeschlossen* die 4as Abgas je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine entweder über eine Abgasleitung 10 direkt einem hier nicht weiter dargestellten Abgasschalldämpfer oder aber übsr eine Leitung 11 vanäshat einem Wärmetauscher 4 zur Yow'ä.T3ung des durch das Saugrohr 5 strömenden Kraftstoff-Luft-Geaisches zuleitet» In dem Wärmetauscher 4 steht ein von des Abgas beaufschlagtes Leiiiangssy-

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OBfGiNAL INSPECTfO

stem 6 in direktem Wärmeaustausch mit dem Ansaugrohr 5,beziehungsweise mit Teilen davon, so daß die in dem Abgas enthaltene Wärme zur Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches abgegeben werden k -nn. Von dem Wärmetauscher 4 wird das Abgas durch eine Leitung 12 in die zu dem Abgasschalldämpfer führende Abgasleitung 10 zurückgeführt.

Die Umlenkvorrichtung 9 ist, wie näher aus der Figur 2 hervorgeht, als strömungsmechanisches Element ausgebildet. Sie Figur 2 zeigt dabei eine Brauf3icht auf einen beispielsweise aus einem temperaturbeständigen Stahl bestehenden Block 20,an dessen einer Seite ein Anschluß 21 für das Gassammeirohr 6 und an dessen anderer Seite zwei Anschlüsse 22 und 23 für die Abgasleitungen 10 und 11 vorgesehen sind. Ein vierter Anschluß 30 dient als Steuerleitungsanschluß für eine in der Figur 1 mit 13 bezeichnete, in die Atmosphäre führende Leitung, in der eine Ventilvorrichtung 14 eingeschaltet ist.

Sie in dem Block 20 eingearbeiteten Strömungskanäle weisen in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Anschluß 21 zunächst eine Verengung 24 und eine Büse 25 auf, der hinter einer scharfen Kante ein Srweiterungsraum 26 folgt. Von uem Erweiterungsraum 26 zweigen zwei Kanäle 31 und 32 ab, die zu den Ausgängen 22 und 23 führen. Während nun der im Bereich der Abzweigung angeordnete Strömungsteiler 29 etwa in der verlängerten Mittellinie der Büse 25 angeordnet ist, liegen die Seitenwände 27 und 28 der beiden Kanäle 31 und J>2 asymmetrisch zu dieser Mittellinie, indem die dem Kanal j>1 und damit dem Ausgang zugeordnete Seitenwand 27 weniger weit von der Mittellinie entfernt ist als die Seitenwand 28, die dem Kanal 32 und damit dem Ausgang zugeordnet ist. Ser oben bereits erwähnte Coanda-Effekt sorgt nun dafür, daß ein durch die Büse 27 austretender Abgasstrahl sich an der Wand 27 anlegt und damit den Kanal 31 beaufschlagt, der über den Ausgang 22 mit der zu dem Abgasschalldämpfer führenden Leitung 10 verbunden ist.

Biese durch die Geometrie der Strömungskanäle bedingte Bevorzugung des Kanales 31 kann nun dadurch aufgehoben werden, daß unmittelbar

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hinter der Düse 25 auf der Seite des Kanals 31 eine geringe Druckerhöhung oder auf der Seite des Kanals 32 eine Druckabsenkung bewirkt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht warden, daß das in der Leitung 13 eingeschaltete Ventil I4 öffnet, so daß der Steuerleitungsanschluß 30 über die Leitung I3 mit der Atmosphäre verbunden wird. Durch diese mittels der Steuerströmung erreichte Druckerhöhung auf der Seite de3 bevorzugten Kanals 3' wird die Haftung de3 Gasstrahles an der Wand 27 aufgehoben, so daß dieser zur Wand 28 schwingen kann und dort haften bleibt, jedenfalls so lange, wie der Steuerleitungsanschluß 30 mit der Atmosphäre verbunden ist. Nunmehr strömt also das Gas durch den Kanal 32 und den Ausgang 23 zu der Leitung 11 und damit zu dem Wärmetauscher 4 zwecks Vorwärmung des Saugrohres 5· Der gleiche Effekt kann erreicht werden, wenn zusätzlich oder anstelle dessen ein Steuerleitungsanschluß 33 auf der jSeite des Kanals 32 mit Unterdruck beaufschlagt wird, wozu eine mit dem Saugrohr 5 verbundene Leitung 34 vorgesehen ist, die durch eine Ventilvorrichtung 35 gesteuert werden kann.

Die Steuerung der SteuerleitungsanschlÜ3se kann in Abhängigkeit von einer charakteristischen Temperatur der Brennkraftmaschine, insbesondere der Temperatur des das Saugrohr durchströmenden Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgen, indem beispielsweise die Ventilvorrichtungen 14 oder 35 geöffnet sind und damit der Strömungskanal 32 beaufschlagt wird, solange die Saugrohrtemperatur unterhalb einer vorgegebenen Temperatur, beispielsweise unterhalb von 100 C, liegt. Dieser, beispielsweise durch einen thermostatischen Antrieb bewirkten Steuerung kann eine zweite Steuerung überlagert werden,die dafür sorgt, daß die Ventile 14 oder 35 auf jeden Fall geschlossen sind, wenn die Leistung der Brennkraftmaschine im Bereich der Vollast, das heißt im Vollastpunkt oder kurz davor, liegt. In diesen Fällen soll nämlich die Vorwärmung des Saugrohrs zwecks Vermeidung von Leistungsverlusten der Brennkraftmaschine unterbunden sein.

Die Geometrie der Strömungskanäle ist bei der zuvor beschriebenen oonoatabilen Ausbildung des strömungsmechanischen Elementes so gewählt, daß beim Aufheben der Steuerströmung der Gasstrahl wieder zur

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Wand 27 und damit zum Kanal 3I zurückschwingt. E3 könnte jedoch auch daran gedacht werden, das strömungsmechanische Element symmetrisch, d.h. bistabil auszuführen. In diesem Fall würden beide Steuerleitungsanschlüsse 30 und 33 Über Ventile kurzzeitig zum Umschalten von dem einen zum anderen Kanal mit der Atmosphäreoder auch mit einem Überdruck zu verbinden sein. Bei bistabilen Elementen bleibt die Strömung an der einmal gewählten Wand haften, bis ein erneuter Steuerimpuls eine Umschaltung an die andere Wand bewirkt. Auch hier können die Schaltimpulse in Abhängigkeit von bestimmten motorcharakteristischen Temperaturen oder in Abhängigkeit von der Motorleistung abgegeben werden.

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e e r s e i \ e

Claims

ANSPBÜCHE

1. ) Vorrichtung zur Umlenkung eines durch ein Abgassammelrohr aus

einer Brennkraftmaschine austretenden Abgas3tromes in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftaaschine, wobei der Abgasstrom in einer ersten Betriebsstellung einer ersten über einen Abgasschalldämpfer in die Atmosphäre führenden Leitung und in einer zweiten Betriebsstellung einer zweiten, zunächst zu einem Wärmetauscher zwecks Vorwärmung der angesaugten Luft oder des Luft-Brennstoff-Gemisches und dann erst in die Atmosphäre fahrenden Leitung zuführbar ist, gekennzeichnet durch ein strömungsmachanischas Element (9) mit einer von dem Abgasstrom beaufschlagten düsenartigen Verengung (24» 25) und mit zwei hinter einer Erweiterung (26) angeordneten Ausgängen (31» 22; 32, 23)» die mit der ersten und der zweiten Leitung (10, 11) verbunden sind und mit hinter der düsenartigen Verengung angeordneten Steuerleitungsanschlüssen (30, 33)» durch deren Beaufschlagung der Abgasstrom von dem einen zum anderen Ausgang umlenkbar ist.

2. Umlenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekannzeichnet, daß das strömungsmechanische Element (9) monostabil ausgebildet ist mit zwei asymmetrisch zu der aüsenartigen Verengung (24» 25) angeordneten Ausgängen (22, 31; 23, 32), wobei der von der Strömung bevorzugte Ausgang (22, 31) mit der direkt zum Abgasschalldämpfer führenden Leitung (10) verbunden ist.

3. Umlenkvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß au. der Seite des von der Strömung bevorzugten Ausganges (22, 31) ein mit der Atmosphäre verbindbarer Steuerleitungsanschluß (30) vorgesehen ist.

4. Umlenkvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem von der Strömung l .vorzugten Ausgang (22, 31) gegenüberliegenden Seite ein mit einem Unterdruck verbindbarer Steuerleitungsanschluß (33) vorgesehen ist.

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ORIGINAL INSPECTED

5. Umlenkvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4> dadurch gekennzeichnet, daß den Steuerleitungsanschlüssen (30, 33) eine in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine und/oder einer motorcharakteristischen Temperatur gesteuerte Ventilvorrichtung (14> 35) zugeordnet ist.

6. Umlenkvorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilvorrichtungen (14> 35) von einem ersten Antrieb in der V/eise gesteuert sind, daß sie bei Temperaturen unterhalb einer vorgegebenen Größe geöffnet sind,

7· Umlenkvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Ventilvorrichtungen (14» 35) ein dem ersten Antrieb überlagerter, in Abhängigkeit von der Leistung der Brennkraftmaschine gesteuerter zweiter Antrieb zugeordnet ist, der die Ventilvorrichtungen im Bereich der Vollast schließt.

8. Umlenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strömungsmechanische Element bistabil ausgebildet ist mit zwei im wesentlichen symmetrisch zu der düsenartigen Verengung angeordneten Ausgängen und daß den Steuerleitungsarischlüssen kurzzeitige Steuerimpulse zur Umschaltung des Gasstrahles von dem einen zum anderen Ausgang zuführbar sind.

9· Umlenkvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitungsanschlüsse über in Abhängigkeit vom Betriebszustand und/oder charakteristischen Temperaturen der Brennkraftnaschine ansteuerbare Ventilvorrichtungen mit Atmosphären- oder Überdruck beaufschlagbar sind.

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