AT501797B1 - Abgassystem für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

2 AT 501 797 B1

Die Erfindung betrifft ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, mit einer vorzugsweise einstückigen Abgasrohranordnung mit pro Zylinder zumindest einem ersten Abgasrohr, wobei jeweils zwei erste Abgasrohre zweier in der Zündfolge nicht unmittelbar aufeinanderfolgender Zylinder in jeweils ein zweites Abgasrohr mündet, und wobei jeweils zwei zweite Abgasrohre in ein gemeinsames Sammelrohr münden.

Aus der EP 1 387 052 A1 ist ein Abgassystem der eingangs genannten Art bekannt. Die Strömungsmittellinien zweier zusammenführender Rohre weisen dabei einen Winkel auf, der kleiner oder gleich 20° ist. Allerdings sind die Rohrinnenseiten stromaufwärts der Mündungszunge so geformt, dass es zu Verwirbelungen im Mündungsbereich kommt. Dadurch wird das dynamische Verhalten der Abgasströmung empfindlich gestört, wodurch es zu Leistungseinbußen kommen kann. Eine ähnliche Brennkraftmaschine ist aus der EP 1 342 890 A2 bekannt.

Weiters offenbart die JP 01012021 A ein Abgassystem mit einer asymmetrischen Abgasrohranordnung, wobei jeweils die Abgasrohre zweier Zylinder zusammengeführt, sind und alle Abgasrohre sich in einen Sammelraüm vereinen. Auch hier kommt es im Bereich der Mündungen zu starken Verwirbelungen und zu nachteiliger Beeinflussung der gasdynamischen Aktivität.

Aus der DE 195 05 710 C2 ist ein Auspuffkrümmer mit mehreren an seiner Einlassseite angeordneten Verzweigungsrohren bekannt, die in ein an seiner Auslassseite angeordnetes Sammelrohr übergehen, wobei ein Abgasstrom von den Verzweigungsrohren zum Sammelrohr strömt. Zwei benachbarte Verzweigungsrohre weisen entlang des Strömungsweges der Abgase eine durchströmbare Querverbindung mit zunehmender Querschnittsfläche bis zum Übergang in das Sammelrohr auf.

Die FR 2 677 077 A1 offenbart eine Vier-in-Eins-Abgasleitung, welche so gestaltet ist, dass die Längen aller nebeneinander liegenden Abgasrohre genau gleich sind.

Die DE 34 31 759 A1 beschreibt eine Abgasleitung für Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen mit zwei Abgasrohren, die über ein Kupplungsstück an ein gemeinsames rückwärtiges Abgasrohr angeschlossen sind. Die beiden Abgasrohre gehen von einem Abgaskrümmer mit vier Abgasleitungen aus.

Weiters ist aus der nachveröffentlichten EP 1 538 314 A1 ein Gassystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer für mehrere Abgasleitungen bekannt, welche in eine Hauptleitung einmünden.

Durch Referenz werden in diese Anmeldung auch die Inhalte der EP 1 363 010 A1 und EP 1 362 996 A1 eingeschlossen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Abgassystem zu schaffen, mit welchem eine verbesserte Abgasströmung erzielt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass im Mündungsbereich der beiden ersten und/oder zweiten Abgasrohre die zusammenführenden ersten bzw. zweiten Abgasrohre einen Winkel £ 30°, vorzugsweise < 20°, aufspannen, wobei der Winkel durch die Tangenten in Referenzpunkten der Innenwand der Abgasrohre aufgespannt ist, welche Referenzpunkte um einen etwa dem halben Durchmesser des ersten bzw. zweiten Abgasrohres entsprechenden Betrag stromaufwärts eines ersten Schnittpunktes der beiden Tangenten definiert sind, und dass ein zweiter Schnittpunkt zumindest einer der beiden Tangenten mit der Innenwand des zweiten Abgasrohres bzw. des Sammelrohres sich um einen Betrag stromabwärts des ersten Schnittpunktes der beiden Tangenten befindet, welcher größer ist als der Durchmesser des zweiten Rohres bzw. des Sammelrohres und zumindest ein erstes und/oder zweites Abgasrohr bogenförmig vorzugsweise nach oben gekrümmt und vorzugsweise um ein anderes erstes Abgasrohr herumgeführt ist, und wobei in jedem zweiten Abgasrohr mindestens ein flexibler Rohrabschnitt 3 AT 501 797 B1 angeordnet ist.

Durch die definierte Kanalgestaltung wird ein unbehindertes Einströmen des Abgases aus dem ersten Abgasrohr in das zweite Abgasrohr bzw. das Sammelrohr bewirkt, so dass Strömungs-5 Verluste weitgehend vermieden werden können. Versuche haben gezeigt, dass die Effekte nur dann eintreten, wenn der Winkel < 30°, vorzugsweise £ 20° ist und der zweite Schnittpunkt zwischen der Tangente und den stromabwärtigen Teil der Kanalwand weiter von der Mündungszunge entfernt ist als der Durchmesser des Rohres stromabwärts der Mündung. io Der Durchmesser des Rohrabschnittes stromabwärts des jeweiligen Mündungsbereiches ist dabei um etwa 20% bis 30% größer als der Durchmesser zumindest eines einmündenden Rohres.

Die Längen der Abgasrohre können zwischen 250 mm und 450 mm, die Längen der zweiten 15 Abgasrohre zwischen etwa 30 mm und 600 mm betragen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Längen von zumindest zwei jeweils durch ein erstes und zweites Abgasrohr zwischen Zylindern und Sammelrohr von zumindest zwei Zylindern mit aufeinander folgender Zündfolge gebildeten Strömungswegen etwa gleich sind und vorzugs-20 weise zwischen etwa 350 mm und 850 mm, besonders vorzugsweise 650 mm bis 850 mm, betragen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Längen der Strömungswege durch ein erstes und zweites Abgasrohr für alle Zylinder zwischen Zylinder und Sammelrohr etwa gleich ist. In einer besonders bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass die Summe der Längen der Strömungswege von jeweils zwei Zylindern mit aufeinanderfolgender Zündfolge etwa gleich 25 ist und vorzugsweise zwischen 700 mm und 1700 mm beträgt.

Auf diese Weise kann eine nachteilige Beeinflussung von Strömungen zu Folge der Zündfolge vermieden werden. 30 Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Summenlänge der Strömungswege aller Zylinder zwischen Zylinder und Sammelrohr gleich ist.

Um eine Strömungsberuhigung nach Einmünden ist das Sammelrohr zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn das Sammelrohr anschließend an den Mündungsbereich der zweiten Abgasrohre 35 ein gerades Stück aufweist, dessen Länge vorzugsweise größer ist als der Durchmesser des Sammelrohres.

In weiterer Gestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sammelrohr, vorzugsweise anschließend an das gerade Stück eine Abgasnachbehandlungseinrichtung aufweist, wobei 40 zwischen dem geraden Stück und der Abgasnachbehandlungseinrichtung ein Einlauftrichter angeordnet sein kann. Strömungsablösungen können insbesondere vermieden werden, wenn dem geraden Abschnitt des Sammelrohres ein Diffusor folgt, dessen Länge mindestens dem doppelten Durchmesser des Sammelrohres entspricht. Zwischen Eintritt und Austritt vergrößert sich der Diffusordurchmesser vorzugsweise zumindest etwa um 20%. In einer bevorzugten 45 Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest in einem zweiten Abgasrohr und/oder im Sammelrohr mindestens ein flexibler Rohrabschnitt angeordnet ist, wobei besonders vorzugsweise in jedem zweiten Abgasrohr zumindest ein flexibler Rohrabschnitt angeordnet ist. so Bei der Führung der Abgasrohre ist dabei insbesondere auf gerade Verschraubungen für die Befestigungen der Krümmerflansche am Zylinderkopf zu achten, so dass eine möglichst problemlose Montage und Demontage erfolgen kann.

Das erfindungsgemäße Abgassystem eignet sich in vorteilhafter Weise für eine Anwendung bei 55 einem Fahrzeug mit einem Unterflur-Katalysator. 4 AT 501 797 B1

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen schematisch Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Abgassystem in einer ersten Ausführungsvariante, Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Abgassystem in einer zweiten Ausführungsvarian-5 te, Fig. 3 das Detail III aus Fig. 1, Fig. 4 das Detail IV aus Fig. 1 und Fig. 5 die Abgasrohranordnung in einem Schnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 1, Fig. 6 die Abgasrohranordnung in einer Ansicht, Fig. 7 die Abgasrohranordnung in einer Draufsicht, Fig. 8 ein erstes Einbaubeispiel für die Abgasrohranordnung und Eig. 9 ein zweites Einbaubeispiel für die Abgasrohranordnung. io Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Ein Abgassystem 10 für eine Brennkraftmaschine 20 weist eine Abgasrohranordnung mit zumindest einem ersten Abgasrohr 11, 12, 13, 14 pro Zylinder 1, 2, 3, 4 auf. Die Zündfolge der Zylinder ist beispielsweise 1-3-4-2. Jeweils zwei Zylinder 1,4 bzw. 2, 3, welche in der Zündfolge 15 nicht unmittelbar aufeinander folgen, münden jeweils in ein zweites Abgasrohr 15,16. Die zweiten Abgasrohre 15,16 vereinigen sich in weiterer Folge in einem gemeinsamen Sammelrohr 17. Stromabwärts des Sammelrohres 17 ist ein Katalysator 18 angeordnet.

Im jeweiligen Mündungsbereich 21, 22 bzw. 23 weisen die einmündenden ersten bzw. zweiten 20 Abgasrohre 11, 14; 12, 13; 15, 16 jeweils einen Winkel Ch, a2 von maximal 30° zueinander auf, wobei der Winkel ch, a2 durch die Tangenten ti, t2 bzw. t3, U in Referenzpunkten P,, P2 bzw. P3, P4 der jeweiligen Innenwand 11a, 12a, 13a, 14a bzw. 15a, 16a des jeweiligen Abgasrohres 11, 12, 13, 14 bzw. 15,16 definiert ist. Die Referenzpunkte P^ P2 bzw. P3, P4 sind dabei von einem ersten Schnittpunkt S, bzw. S3 um einen - in Richtung der Strömungsachse Xi bzw. x2 des 25 stromabwärtigen gemeinsamen zweiten Abgasrohres 15, 16 bzw. Sammelrohres 17 gemessen - beabstandet. Der Abstand a1 bzw. a2 beträgt dabei den halben Durchmesser di bzw. d2, der in den Mündungsbereich 21, 22 bzw. 23 einmündenden ersten bzw. zweiten Abgasrohre 11, 14; 12,13 bzw. 15,16, wie in Fig. 3 bzw. 4 gezeigt ist. 30 Zumindest ein zweiter Schnittpunkt S2 bzw. S4 einer Tangente t2 bzw. t3 mit der Innenwand 15a des gemeinsamen zweiten Abgasrohres 15 bzw. der Innenwand 17a des Sammelrohres 17 liegt um einen Betrag bi bzw. b2 stromabwärts des Schnittpunktes Si bzw. S3, welcher größer ist als der Durchmesser d2 bzw. d3 des gemeinsamen zweiten Abgasrohres 15 bzw. 17. Der Durchmesser d2 bzw. d3 des gemeinsamen zweiten Abgasrohres bzw. des Sammelrohres 17 ist 35 20% bis 30% größer als der Durchmesser di bzw. d2 der einmündenden ersten bzw. zweiten

Abgasrohre 11, 14,12, 13 bzw. 15, 16.

Die Länge der ersten Abgasrohre 11, 12, 13, 14 ist mit Lu, L12, L13, L14 bezeichnet, die Länge der zweiten Abgasrohre 15, 16 mit L15 und L16. Um eine gleiche Lauflänge der Abgaswellen 40 jedes Zylinders 1, 2, 3, 4 zu erhalten, ist die Summenlänge Lu + L15, L13 + L16, L14 + L16, Li2 + L16 der Strömungswege des ersten und zweiten Abgasrohres 11, 15; 13, 16; 14, 15; 12, 16 zumindest zweier aufeinander folgender Zylinder 1, 3, 4, 2 gleich.

Um gleiche Summenlängen für die Rohrabschnitte der Zylinder 1, 2, 3, 4 zu erhalten, kann 45 vorgesehen sein, dass zumindest ein erstes Abgasrohr 12, 13 und/oder ein zweites Abgasrohr 16 bogenartig gekrümmt ist, wobei vorteilhafter Weise das erste oder zweite Abgasrohr 12, 13, 16 um ein anderes erstes oder zweites Abgasrohr 11, 15 herumgeführt werden kann, wie in Fig. 5 angedeutet ist. Eine schleifenartige Führung nach oben ist insbesondere dann von Vorteil, wenn fahrzeugbedingt ein eingeschränkter Bodenabstand zur Verfügung steht. 50

Insbesondere bei bogenartigen Führungen von Abgasrohren 11, 12, 13, 14 muss der unbehinderte gerade Zugang eines Werkzeuges mit dem Durchmesser des Werkzeuges und der zugehörige Freigang zur Montage und Demontage gewährleistet sein. Es muss also ein zylinderförmiger Freigang vor jeder Befestigungsschraube vorliegen.

Claims (12)

1. 5 AT 501 797 B1 Stromabwärts der Vereinigung der zweiten Abgasrohre 15, 16 schließt an den Mündungsbereich 23 ein gerades Rohrstück 17' des Sammelrohres 17 mit der Länge LG an, wobei die Länge Lg größer ist als der Durchmesser d3 des gemeinsamen Sammelrohres 17. Sie kann beispielsweise 20 mm betragen. 5 An das gerade Rohrstück 17' kann ein Diffusor 19 angeschlossen sein, dessen Länge LD mindestens das Zweifache des Durchmessers d3 des Sammelrohres 17 beträgt. Der Durchmesser Dd des Diffusoraustrittes ist um etwa 20% größer als der Durchmesser d3 des Diffusoreintrittes. Zusätzlich oder statt dem Diffusor 19 kann zwischen Sammelrohr 17 und dem Katalysator 18 io ein Einlauftrichter 24 angeordnet sein. Der strömungsmäßige Abstand des Katalysators 18 zum Zylinderkopfflansch der Brennkraftmaschine 20 beträgt beispielsweise 300 mm bis 500 mm. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante der Erfindung, wobei in den zweiten Abgasrohren 15, 16 ein flexibler Rohrabschnitt 25, 26 angeordnet ist. Verglichen mit einem flexiblen Rohrabschnitt 15 im Sammelrohr 17 hat diese Anordnung den Vorteil, dass der Katalysator 18 näher an den Mündungsbereich 23 herangeführt werden kann. Wie in Fig. 8 und 9 gezeigt ist, kann das Abgassystem 10 mit einem als sogenannten Unterflur-Katalysator ausgeführten Katalysator 18 in einem Fahrzeug 30 eingebaut sein. An die bei-20 spielsweise direkteinspritzende Brennkraftmaschine sind an der Vorder- oder Hinterseite die ersten Abgasrohre 11, 12, 13, 14 angeschlossen und münden in die zweiten Abgasrohre 15, 16. Die Summe der Längen Ln und L15 kann beispielsweise zwischen 650 mm und 850 mm betragen. Danach folgt ein kurzes gerades Stück, das Sammelrohr 17 und danach der Katalysator 18. In den zweiten Abgasrohren 15, 16 ist jeweils ein flexibler Rohrabschnitt 25, 26 ange-25 ordnet. Die in Fig. 9 gezeigte Ausführung mit den Abgasrohren auf der Spritzwandseite des Fahrzeuges hat den Vorteil, dass mit den kurzen Rohrlängen, die für die Gasdynamik nötig sind, ein Unterflur-Katalysator realisierbar ist, ohne dass zusätzliche unter der Brennkraftmaschine hindurchführende Rohrlängen benötigt werden. 30 Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung kann besonders vorteilhaft in Kombination mit einem aus der EP 1 362 996 A1 bekannten Kolben und/oder einem aus der EP 1 363 010 A1 bekannten Verfahren angewendet werden. 35 Patentansprüche: 1. Abgassystem (10) für eine Brennkraftmaschine (20) mit mehreren Zylindern (1,2, 3, 4), mit einer vorzugsweise einstückigen Abgasrohranordnung mit pro Zylinder (1, 2, 3, 4) zumindest einem ersten Abgasrohr (11, 12, 13, 14), wobei jeweils zwei erste Abgasrohre (11, 14; 40 12, 13) zweier in der Zündfolge nicht unmittelbar aufeinanderfolgender Zylinder (1, 2, 3, 4) in jeweils ein zweites Abgasrohr (15, 16) münden, und wobei jeweils zwei zweite Abgasrohre (15, 16) in ein gemeinsames Sammelrohr (17) münden, dadurch gekennzeichnet, dass im Mündungsbereich (21, 22, 23) der beiden ersten und/oder zweiten Abgasrohre (11, 14; 12, 13; 15, 16) die zusammenführenden ersten bzw. zweiten Abgasrohre (11, 14; 45 12, 13; 15, 16) einen Winkel (ch, a2) £ 30°, vorzugsweise £ 20°, aufspannen, wobei der Winkel (οι, a2) durch die Tangenten (ti, t2, t3, tt) in Referenzpunkten (Pt, P2, P3, P4) der Innenwand (11a, 14a; 12a, 13a; 15a, 16a) der Abgasrohre (11, 14; 12, 13; 15, 16) aufgespannt ist, welche Referenzpunkte (Pt, P2, P3, P4) um einen etwa dem halben Durchmesser (di, d2) des ersten bzw. zweiten Abgasrohres (11, 14; 12, 13; 15, 16) entsprechenden so Betrag (ai, a2) stromaufwärts eines ersten Schnittpunktes (S1( S2) der beiden Tangenten (ti. t2, t3, tt) definiert sind, und dass ein zweiter Schnittpunkt (S2, S4) zumindest einer der beiden Tangenten (t1f t2, t3, t,) mit der Innenwand (15a, 16a; 17a) des zweiten Abgasrohres (15, 16) bzw. des Sammelrohres (17) sich um einen Betrag (bi, b2) stromabwärts des ersten Schnittpunktes (Si, S3) der beiden Tangenten (ti, t2, t3, U) befindet, welcher größer ist 55 als der Durchmesser (d2, d3) des zweiten Rohres (15, 16) bzw. des Sammelrohres (17) und 6 AT 501 797 B1 zumindest ein erstes und/oder zweites Abgasrohr (12, 13, 16) bogenförmig vorzugsweise nach oben gekrümmt und vorzugsweise um. ein anderes erstes Abgasrohr (11) herumgeführt ist, und wobei in jedem zweiten Abgasrohr (15, 16) mindestens ein flexibler Rohrabschnitt (25, 26) angeordnet ist. 5
2. 2. Abgassystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (d2) des zweiten Abgasrohres (15, 16) etwa um 20% bis 30% größer ist als der Durchmesser (d^ zumindest eines ersten Abgasrohres (11,12,13, 14). io 3. Abgassystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (d3) des Sammelrohres (17) etwa um etwa 20% bis 30% größer ist als der Durchmesser (d2) zumindest eines zweiten Abgasrohres (15,16).
3. 4. Abgassystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die 15 Längen (Lu, L12, L13, Lu) der ersten Abgasrohre (11, 12, 13, 14) zwischen etwa 250 mm und 450 mm betragen.
4. 5. Abgassystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Längen (L15, L16) der zweiten Abgasrohre (15, 16) zwischen etwa 30 mm und 600 mm 20 betragen.
5. 6. Abgassystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längen (Lu, L15; L12, L16; L13, L16; L14, L15) von zumindest zwei durch jeweils ein erstes und zweites Abgasrohr (11, 12, 13, 14, 15, 16) zwischen Zylindern (1, 2, 3, 4) und Sammelrohr 25 (17) von zumindest zwei Zylindern (1, 2, 3, 4) mit aufeinander folgender Zündfolge gebilde ten Strömungswegen etwa gleich sind und vorzugsweise zwischen etwa 350 mm und 850 mm, besonders vorzugsweise 650 mm bis 850 mm, betragen.
6. 7. Abgassystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Längen (Lu, L15; 30 L12, L16; L13, Li6; L14i L15) der Strömungswege durch ein erstes und zweites Abgasrohr (11, 12, 13, 14, 15, 16) für alle Zylinder (1, 2, 3, 4) zwischen Zylinder (1, 2, 3, 4) und Sammelrohr (17) etwa gleich ist.
7. 8. Abgassystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die 35 Summe der Längen (Ln+L^+Lis+L^; L14+Li5+L12+L16) der Strömungswege von jeweils zwei Zylindern (1, 2, 3, 4) mit aufeinanderfolgender Zündfolge etwa gleich ist und vorzugsweise zwischen 700 mm und 1700 mm beträgt.
8. 9. Abgassystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das 40 Sammelrohr (17) anschließend an den Mündungsbereich (23) der zweiten Abgasrohre (15, 16) ein gerades Stück (17) aufweist, dessen Länge (LG) vorzugsweise größer ist als der Durchmesser (d3) des Sammelrohres (17).
9. 10. Abgassystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das 45 Sammelrohr (17), vorzugsweise anschließend an das gerade Stück (17') eine Abgasnach behandlungseinrichtung (18) aufweist, wobei vorzugsweise zwischen dem geraden Stück (17') und der Abgasnachbehandlungseinrichtung (18) ein Einlauftrichter (24) angeordnet ist. so 11. Abgassystem (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an das gerade Stück (17') stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung ein Diffusor (19) anschließt, dessen Länge (LD) vorzugsweise zumindest doppelt so groß ist wie der Durchmesser (d3) des Sammelrohres (17).
10. 12. Abgassystem (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (19) 7 AT 501 797 B1 einen Austrittsdurchmesser (Dd) aufweist, welcher zumindest um etwa 20% größer ist als der Durchmesser (d3) des Sammelrohres (17).
11. 13. Abgassystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die 5 Abgasnachbehandlungseinrichtung (18) in einer Position unterhalb des Bodens eines Fahrzeuges einbaubar ist und vorzugsweise durch einen Unterflur-Katalysator gebildet ist.
12. 14. Fahrzeug mit einem Abgassystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (18) unterhalb des Bodens io des Fahrzeuges (30) eingebaut ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 15 20 25 30 35 40 45 50 55