DE10043800A1 - Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine weist einen an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angebrachten Abgaskrümmerflansch auf, von welchem wenigstens zwei Abgasleitungen ausgehen, die in Einlaßöffnungen eines an einem Katalysatorelement angebrachten Abgasleitelementes münden. Die in die Einlaßöffnungen einmündenden Abgasleitungen sind derart gegeneinander verschränkt, daß in dem Abgasleitelement eine Drallströmung entsteht. Die wenigstens zwei Einlaßöffnungen des Abgasleitelementes und der jeweilige in die Einlaßöffnungen des Abgasleitelementes einmündende Endbereich der wenigstens zwei Abgasleitungen sind mit wenigstens annähernd ovalem Querschnitt ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angebrachten Abgaskrümmerflansch nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definier­ ten Art.

Eine gattungsgemäße Abgasanlage ist aus der DE 195 10 606 A1 bekannt. Hierbei münden vier Abgasleitungen derart verschränkt zueinander in ein Katalysatorgehäu­ se, daß in demselben eine Drallströmung entsteht. Durch diese Anordnung sollen der Abgasgegendruck und die thermische Belastung des Katalysators reduziert werden, wodurch der Katalysator sehr nah an der Brenn­ kraftmaschine einbaubar und für sehr hohe Abgastempe­ raturen geeignet sein soll.

Einen ähnlichen Aufbau einer Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine beschreibt die MTZ 58 (1997) 12, Seite 733.

Nachteilig bei diesen lediglich als Konzeptlösungen anzusehenden Abgasanlagen sind jedoch die ungleichmä­ ßige Beaufschlagung des Katalysators, die hohen Druck­ verluste sowie die unzureichende Bauteilfestigkeit. Des weiteren steigt aus strömungstechnischen Gründen der Gegendruck einer solchen Abgasanlage bei zu star­ ker Ausführung des Dralls an, so daß Leistung und Drehmoment der Brennkraftmaschine absinken können. Außerdem ist bei einem sehr nahen Anbau des Katalysa­ tors an der Brennkraftmaschine die Position der Lambda-Sonde zu beachten, die unter Umständen der ho­ hen Temperaturbelastung nicht gewachsen ist.

Eine weitere Abgasanlage ist in der EP 0 508 505 A1 beschrieben. Hierbei münden die im Querschnitt kreis­ runden Abgasleitungen schräg in ein dem Katalysator­ körper vorgeschaltetes Abgasleitelement, was zu einer ungleichmäßigen Beaufschlagung des Katalysators und somit zu einer nicht optimalen Nutzung seiner Reini­ gungsleistung führt. Außerdem bringt dies ein schnel­ leres Voranschreiten der Alterung des Katalysators und örtliche thermische Überbelastungen desselben mit sich. Des weiteren ergeben sich beim Übertritt von den Abgasleitungen in das Abgasleitelement Strömungsablö­ sungen und beim ungleichmäßigen Durchströmen des Kata­ lysators Strömungsverluste, die eine Gegendruckerhö­ hung bewirken und die Leistung der Brennkraftmaschine senken.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, bei der eine möglichst gute Anströmung des Katalysa­ tors gegeben ist, so daß ein möglichst geringer Gegen­ druck entsteht und sich bezüglich Leistung und Drehmo­ ment keine Nachteile für die Brennkraftmaschine erge­ ben. Gleichzeitig soll die Abgasanlage eine für alle Betriebsbedingungen und Anwendungsfälle ausreichende Festigkeit aufweisen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Dadurch, daß erfindungsgemäß die Einlaßöffnungen und die Endbereiche der Abgasleitungen einen wenigstens annähernd ovalen Querschnitt aufweisen, ergibt sich im Zusammenwirken mit der durch die Anordnung der Abgas­ leitungen erreichte Drallströmung eine sehr gleichmä­ ßige Beaufschlagung des Katalysatorelementes durch jeden einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine, wo­ durch auch bei hohen Massendurchsätzen ein sehr gerin­ ger Gegendruck gegeben ist. Auf diese Art und Weise wird das vorhandene Reinigungspotential des Katalysa­ torelementes besser genutzt, und es entstehen keine Drehmoment- und Leistungsverluste für die Brennkraft­ maschine.

Des weiteren führt der ovale Querschnitt der Abgaslei­ tungen in ihren Endbereichen zu einer Erhöhung des Widerstandsmomentes, was vorteilhafterweise verbesser­ te Dauerfestigkeitswerte für die gesamte Abgasanlage mit sich bringt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Abgasanlage in einer ersten perspektivischen Ansicht;

Fig. 2 die Abgasanlage aus Fig. 1 in einer zweiten perspektivischen Ansicht, und

Fig. 3 das Abgasleitelement der Abgasanlage aus Fig. 1 und 2 in einer perspektivischen Ansicht.

Fig. 1 zeigt eine Abgasanlage 1, welche einen Abgas­ krümmerflansch 2 aufweist, der an einem Zylinderkopf 3 einer Brennkraftmaschine 4 angebracht ist. Zu diesem Zweck ist der Abgaskrümmerflansch 2 mit mehreren Befe­ stigungsbohrungen 5 versehen. Der Zylinderkopf 3 und die Brennkraftmaschine 4 sind nur schematisch mit Hil­ fe gestrichelter Linien dargestellt.

Im vorliegenden Fall sind in den Abgaskrümmerflansch 2 insgesamt vier Abgasleitungen 6, 7, 8 und 9 einge­ steckt, die gegebenenfalls mit demselben verschweißt sein können. Selbstverständlich ist auch eine andere Anzahl von Abgasleitungen denkbar, und zwar jeweils mit einem ähnlichen Aufbau wie nachfolgend beschrie­ ben.

Die Abgasleitungen 7 und 9 münden in eine Einlaßhutze bzw. ein Abgasleitelement 10, welches zu diesem Zweck mit zwei Einlaßöffnungen 11 und 12 versehen und in Fig. 3 besseres zu erkennen, ist. Das beispielsweise durch Tiefziehen hergestellte Abgasleitelement 10 weist an der den Einlaßöffnungen 11 und 12 gegenüber­ liegenden Seite eine Auslaßöffnung 13 auf, an welcher ein Katalysatorelement 14 angeordnet ist. An der dem Abgasleitelement 10 gegenüberliegenden Seite ist an dem Katalysatorelement 14 eine Ausgangshutze 15 ange­ bracht, welche wiederum mit einer Abgangsleitung 16 verbunden ist. Das den Zylinderkopf 3 verlassende Ab­ gas kann somit über die Abgasleitungen 6, 7, 8 und 9 sowie über das Abgasleitelement 10 in das Katalysator­ element 14 gelangen und durch die Ausgangshutze 15 und die Abgasleitung 16 dasselbe wieder verlassen. In dem Katalysatorelement 14 befindet sich in an sich bekann­ ter, jedoch nicht dargestellter Weise ein Monolith, der zur Reinigung der Abgase vorgesehen und in einem ebenfalls nicht dargestellten Quellmattensystem gela­ gert ist.

Die Abgasleitungen 7 und 9 münden unter einem bestimm­ ten Winkel in die Einlaßöffnungen 11 und 12 des Abgas­ leitelementes 10, der je nach vorhandenem Bauraum 10° bis 30°, insbesondere ca. 15°, beträgt, und zwar je­ weils bezogen auf die Längsachse des Katalysatorele­ mentes 14. Diese schräge Anströmung des Katalysator­ elementes 14 verbessert die Beaufschlagung des Monoli­ then und führt somit zu einer besseren Reinigungswir­ kung desselben.

Das Katalysatorelement 14 weist im vorliegenden Fall, genauso wie die Einlaßöffnung 11 des Abgasleitelemen­ tes 10 und wie die Ausgangshutze 15 einen wenigstens annähernd kreisförmigen Querschnitt auf. Ein solcher kreisförmiger Querschnitt des Katalysatorelementes 14 bzw. des darin sich befindlichen Monolithen verleiht demselben eine bessere thermomechanische Festigkeit, wodurch ein verhältnismäßig einfach aufgebautes Quell­ mattensystem verwendet werden kann.

Die Abgasleitungen 7 und 9, welche, wie oben erwähnt, in das Abgasleitelement 10 münden, weisen Vorsprünge 17 und 18 auf, in welche die beiden anderen Abgasleitun­ gen 6 und 8 münden und beispielsweise durch Schweißen mit den Abgasleitungen 7 und 9 verbunden sein können. Die Abgasleitung 6 mündet dabei an dem Vorsprung 18 in die Abgasleitung 9, und die Abgasleitung 8 mündet an dem Vorsprung 17 in die Abgasleitung 7. Somit entsteht durch die Vorsprünge 17 und 18 ein definierter Quer­ schnitt zur Anbringung der Abgasleitungen 6 und 8 an den Abgasleitungen 9 und 7, was z. B. durch Schweißen erreicht werden kann.

Da die Abgasleitungen 6 und 8 einen über ihre gesamte Länge runden Querschnitt aufweisen, können sie durch ein herkömmliches Biegeverfahren hergestellt werden. Die Abgasleitungen 7 und 9 werden dagegen durch ein Innenhochdruckumformverfahren hergestellt, um so eine einfache Fertigung der Vorsprünge 17 und 18 zu gewähr­ leisten.

Zum Erreichen einer optimalen Anströmung und somit einer optimalen Beaufschlagung des Katalysatorelemen­ tes 14 sind die Einlaßöffnungen 11 und 12 sowie der jeweilige in die Einlaßöffnungen 11 und 12 einmündende Endbereich der Abgasleitungen 7 und 9 oval ausgeführt. Die Abgasleitungen 7 und 9 gehen dabei unter einem Winkel von 1° bis 5°, vorzugsweise ca. 3°, harmonisch von ihrem runden in einen ovalen Querschnitt über. Der harmonische Übergang vom runden in den ovalen Quer­ schnitt verhindert ein Abreißen der Strömung in den Abgasleitungen 7 und 9, wodurch Druckverluste weitest­ gehend vermieden werden können. Zur Herstellung dieser ovalen Querschnittsformen der Abgasleitungen 7 und 9 ist das bereits oben erwähnte Innenhochdruckumformver­ fahren besonders gut geeignet. In der Darstellung ge­ mäß Fig. 3 ist die Querschnittsform der Einlaßöffnun­ gen 11 und 12 des Abgasleitelementes 10 deutlich zu erkennen.

Zusätzlich sind die Abgasleitungen 7 und 9 in einem bestimmten Winkel gegeneinander verschränkt, so daß in dem Abgasleitelement 10 eine Drallströmung entsteht, die in Fig. 3 durch Pfeile angedeutet ist. Diese Drallströmung ist so ausgelegt, daß einerseits eine sehr gleichmäßige Beaufschlagung des Katalysatorele­ mentes 14 durch jeden einzelnen Zylinder, d. h. durch jede der Abgasleitungen 6, 7, 8 und 9 erzielt wird und daß andererseits der in dem Katalysatorelement 14 er­ zeugte Gegendruck auch bei hohen Abgasmassendurchsät­ zen auf einem akzeptablen Niveau liegt.

Zwischen den beiden Einlaßöffnungen 11 und 12 ist an dem Abgasleitelement 10 eine Lambda-Sonde 19 ange­ bracht, deren Wirkungsweise an sich bekannt ist, die sich bezüglich der auftretenden Temperaturen an einer unkritischen Stelle befindet und mit der gleichzeitig eine über alle Zylinder bzw. Abgasleitungen 6, 7, 8 und 9 gleichmäßige Sensibilität der Lambda-Regelung erreicht wird. Fig. 2 zeigt deutlicher die genaue Pla­ zierung der Lambda-Sonde 19.

Durch den oben beschriebenen, ovalen Querschnitt der Einlaßöffnungen 11 und 12 sowie der Abgasleitungen 7 und 9 in deren Endbereichen ergibt sich außerdem ein vergrößerter Umfang im Bereich der Schweißanbindung der Abgasleitungen 7 und 9 an dem Abgasleitelement 10, wodurch die auftretenden Vergleichsspannungen redu­ ziert und die Festigkeit der gesamten Abgasanlage 1 gesteigert wird. Die ovale Form führt des weiteren zu einer Erhöhung des Widerstandsmomentes der Abgaslei­ tungen 7 und 9, was eine zusätzliche Verbesserung der Dauerfestigkeitswerte der Abgasanlage 1 mit sich bringt.

Claims (8)

1. Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ange­ brachten Abgaskrümmerflansch, von welchem wenig­ stens zwei Abgasleitungen ausgehen, die in Einlaß­ öffnungen eines an einem Katalysatorelement ange­ brachten Abgasleitelementes münden, wobei die in die Einlaßöffnungen einmündenden Abgasleitungen derart gegeneinander verschränkt sind, daß in dem Abgasleitelement eine Drallströmung entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Einlaßöffnungen (11, 12) des Abgasleitelementes (10) und der jeweilige in die Einlaßöffnungen (11, 12) des Abgasleitelementes (10) einmündende Endbereich der wenigstens zwei Abgasleitungen (7, 9) mit wenigstens annähernd ova­ lem Querschnitt ausgebildet sind.

2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Abgasleitungen (7, 9) mit einem Winkel von 2° bis 4°, insbesondere ca. 3°, von ih­ ren runden Querschnitt in den wenigstens annähernd ovalen Querschnitt übergehen.

3. Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Abgasleitungen (7, 9) unter einem Winkel von 10° bis 30°, insbesondere ca. 15°, in die Einlaßöffnungen (11, 12) des Abgasleit­ elementes (10) münden.

4. Abgasanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Abgasleitelement (10) in einem Bereich zwi­ schen den wenigstens zwei Einlaßöffnungen (11, 12) eine Lambda-Sonde (19) angebracht ist.

5. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorelement (14) und das mit dem Kata­ lysatorelement (14) verbundene Ende des Abgasleit­ elementes (10) einen wenigstens annähernd runden Querschnitt aufweisen.

6. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Abgaskrümmerflansch (2) wenigstens vier Abgasleitungen (6, 7, 8, 9) vorgesehen sind, von de­ nen wenigstens zwei Abgasleitungen (7, 9) in die Einlaßöffnungen (11, 12) des Abgasleitelementes (10) münden, wobei die anderen Abgasleitungen (6, 8) in die in die Einlaßöffnungen (11, 12) des Abgasleitelementes (10) mündenden Abgasleitungen (7, 9) münden.

7. Abgasanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Einlaßöffnungen (11, 12) des Abgasleit­ elementes (10) mündenden Abgasleitungen (7, 9) durch Innenhochdruckumformung hergestellt sind.

8. Abgasanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Abgasleitungen (6, 8), die in die in die Einlaßöffnungen (11, 12) des Abgasleitelementes (10) mündenden Abgasleitungen (7, 9) münden, durch konventionelles Biegen hergestellt sind.