DE10058985A1

DE10058985A1 - Auspuffkrümmer

Info

Publication number: DE10058985A1
Application number: DE10058985A
Authority: DE
Inventors: Winfried Willeke; Peter Gauchel
Original assignee: ArvinMeritor Exhaust GmbH
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2002-05-29

Abstract

Um einen Auspuffkrümmer (1) für Brennkraftmaschinen mit einem motorseitig befestigbaren Eingangsflansch (2) sowie einem Auslassflansch (4) zum Anschluss von abgasführenden Rohren, wobei zwischen Eingangsflansch (2) und Auslassflansch (4) ein mehrschaliges Verbindungsteil vorgesehen ist mit einer ersten abgasführenden Schale (6), mittels derer die durch den Eingangsflansch (2) einströmenden Abgase zum Auslassflansch (4) geführt sind, und einer die erste Schale (6) mit Luftspalt umgebenden zweiten Schale (7), die am Eingangsflansch (2) und Auslassflansch (4) fluiddicht fixiert ist, zu schaffen, bei dem zu hohe Abgastemperaturen und damit ein zu hoher NOx-Anteil vermieden werden kann, wird vorgeschlagen, dass eine dritte Schale (8) vorgesehen ist, die die zweite Schale (7) auf der der ersten Schale (6) abgeandten Seite unter Bildung eines Fluidspaltes (11) umgibt und die an den Eingangsflansch (2) und den Auslassflansch (4) fluiddicht angeschlossen ist, und dass die dritte Schale (8) einen Flüssigkeitseinlass (9) sowie einen Flüssigkeitsauslass (10) aufweist, die jeweils in den zwischen zweiter und dritter Schale (7, 8) gebildeten Fluidspalt (11) münden und an die die Zulauf- beziehungsweise Rücklaufleitung eines flüssigkeitsgespeisten Kühlkreislaufes angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Auspuffkrümmer für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, vornehmlich für wassergekühlte Motoren, mit einem motorseitig befestigbaren Eingangsflansch sowie einem Auslassflansch zum Anschluß von abgasführenden Rohren, wobei zwischen Eingangsflansch und Auslassflansch ein mehrschaliges Verbindungsteil vorgesehen ist mit einer ersten abgasführenden Schale, mittels derer die durch den Eingangsflansch einströmenden Abgase zum Auslassflansch geführt sind, und einer die erste Schale mit Luftspalt umgebenden zweiten Schale, die am Eingangsflansch und Auslassflansch fluiddicht fixiert ist.

Derartige Auspuffkrümmer sind im Stand der Technik bekannt. Üblicherweise besteht bei dem mehrschaligen Verbindungsteil die erste abgasführende Schale aus relativ dünnem Blech, so daß in der Aufwärmphase eine schnelle Erwärmung dieser Schale erfolgt und somit die Temperatur des Abgases möglichst schnell auf eine Temperatur gebracht wird, die für die nachfolgende Reaktion im Katalysator des Abgassystems erforderlich ist.

Die äußere zweite Schale ist dabei üblicherweise relativ stabil ausgebildet, also mit höherer Wandstärke, wobei die äußere Schale gasdicht mit den entsprechenden Flanschteilen verbunden, insbesondere verschweißt ist. Die innere Schale ist häufig nicht fest mit den Flanschteilen verbunden, sondern nur lose angeordnet, um ein Bewegungsspiel aufgrund der temperaturbedingten Ausdehnung zu ermöglichen.

In jüngerer Zeit sind zunehmend sogenannte GDI-Motoren üblich. Bei diesen Motoren besteht das Problem, daß relativ hohe Abgastemperaturen sich nachteilig auf die katalytische Behandlung auswirken, da das Abgas einen zu hohen NO_x-Anteil enthält.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Auspuffkrümmer zu schaffen, bei dem zu hohe Abgastemperaturen und damit ein zu hoher NO_x-Anteil vermieden werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß eine dritte Schale vorgesehen ist, die die zweite Schale auf der der ersten Schale abgewandten Seite unter Bildung eines Fluidspaltes umgibt und die an den Eingangsflansch und den Auslassflansch fluiddicht angeschlossen ist, und daß die dritte Schale einen Flüssigkeitseinlass sowie einen Flüssigkeitsauslass aufweist, die jeweils in den zwischen zweiter und dritter Schale gebildeten Fluidspalt münden und an die die Zulauf- beziehungsweise Rücklaufleitung eines flüssigkeitsgespeisten Kühlkreislaufes angeschlossen ist.

Gemäß der Erfindung ist vorzugsweise nicht nur die erste Schale aus dünnwandigem Blech, sondern auch die zweite Schale ist aus relativ dünnem Blech ausgebildet. Diese beiden Schalen sind von einer dritten Schale umgeben, die flüssigkeitsdicht an die entsprechenden Flanschteile angeschlossen ist. Die dritte Schale weist eine höhere Wandstärke auf, da sie im Grunde die tragende Schale des Gesamtelementes bildet.

Zwischen der zweiten und der dritten Schale ist ein Fluidspalt gebildet, wobei die dritte Schale einen entsprechenden Flüssigkeitseinlass und Flüssigkeitsauslass aufweist, so daß entsprechende Flüssigkeitsleitungen anschließbar sind. Beim Betrieb des entsprechenden Motors kann in der Aufwärmphase zunächst beispielsweise der Kühlmittelzulauf in den Raum zwischen zweiter und dritter Schale abgesperrt sein, so daß eine schnelle Vorwärmung der ersten Schale und damit ein schnelles Erreichen der notwendigen Abgastemperatur erreicht wird. Es ist auch möglich, in den zwischen zweiter und dritter Schale gebildeten Fluidspalt erwärmtes "Kühlmittel" einzubringen, was wiederum für das schnelle Erreichen der notwendigen Abgastemperatur hilfreich ist.

Sobald die entsprechende Abgastemperatur erreicht ist und bevor sich zu hohe Abgastemperaturen einstellen, ist es möglich, Kühlmittel in den Raum zwischen zweiter und dritter Schale einzuspeisen, wodurch eine Kühlung des durchgeleiteten Abgases erfolgt und somit die Abgastemperatur niedrig gehalten werden kann, so daß die NO_x-Anteile im Abgas gering gehalten werden können.

Dies ist insbesondere bei sogenannten GDI-Motoren notwendig und vorteilhaft.

Der Kühl- beziehungsweise Vorwärmkreislauf, der so gebildet ist, kann durch einen separaten Kühlmittelkreislauf gebildet sein, der aus einem Kühlmittelspeicher, einer Pumpe und gegebenenfalls einer Kühlmittelheizung bestehen kann.

Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, daß an den Flüssigkeitseinlass und den Flüssigkeitsauslass eine Zulaufleitung beziehungsweise Rücklaufleitung des Kühlkreislaufes des wassergekühlten Motors angeschlossen ist.

Bei einer solchen Anordnung und Ausbildung kann der Kühlkreislauf des wassergekühlten Motors einem zusätzlichen Einsatzzweck zugeführt werden, wobei es auch bei dieser Anwendung möglich ist, das Kühlmittel in der Aufwärmphase vorzuheizen, so daß ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur ermöglicht ist.

Mit der Erfindung ist ein besonderes Wärmemanagement möglich, um die Abgastemperatur zu beeinflussen. Ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb eines Auspuffkrümmers nach der Erfindung besteht darin, daß während der Aufwärmphase des Motors und des angeschlossenen Abgassystems keine Kühlflüssigkeit oder Kühlflüssigkeit mit geringem Druck, insbesondere mit einem Betriebsdruck von 1, 1 bis 1,4 bar, in den Fluidspalt zwischen zweiter und dritter Schale eingespeist wird, und nach Erreichen der Betriebstemperatur des Motors und des angeschlossenen Abgassystems Kühlflüssigkeit oder Kühlflüssigkeit mit höherem Druck eingespeist wird, so daß die zweite Schale durch den Flüssigkeitsdruck an die erste Schale mindestens in Teilbereichen angedrückt wird und eine wärmeleitende Verbindung zwischen erster und zweiter Schale gebildet wird, wobei bei Unterschreiten der Betriebstemperatur die zweite Schale in die Ausgangsstellung, in der zwischen ihr und der ersten Schale ein Luftspalt gebildet ist, zurückgestellt wird oder sich selbständig zurückstellt.

Danach kann in der Aufwärmphase entweder gar kein Kühlmittel in den Spalt zwischen zweiter und dritter Schale eingespeist werden oder aber es kann Kühlflüssigkeit mit dem normalen Überdruck von ca. 1,2 bar eingespeist werden, wobei die Kühlflüssigkeit zudem vorgeheizt sein kann. Nach Erreichen der Betriebstemperatur kann in dem Fall, daß vorher keine Kühlflüssigkeit eingespeist wurde, Kühlflüssigkeit eingespeist werden oder aber es kann in dem Fall, daß schon Kühlflüssigkeit mit einem Druck von ca. 1,2 bar eingespeist wurde, Kühlflüssigkeit mit höherem Druck eingespeist werden, um eine bessere Kühlung zu erreichen. Hierzu kann beispielsweise in den Kühlkreislauf ein Druckregelventil eingeschaltet sein, mittels dessen in der Aufwärmphase der Druck auf ca. 1,2 bar gehalten wird, während in der anschließenden Kühlphase ein höherer Druck aufgebaut und das Kühlmittel mit höherem Druck eingespeist wird. Insbesondere bei der Ausbildung, bei der anschließend mit höherem Druck Kühlflüssigkeit eingespeist wird, ist ein besonderer Vorteil darin zu sehen, daß durch das mit erhöhtem Druck zugeführte Kühlmedium die zweite Schale elastisch oder auch nach Art eines Springeffektes bleibend oder auch über eine Rückstellfeder verformt wird, so daß das Material der zweiten Schale an das Material der ersten Schale möglichst in großen Bereichen flächig angedrückt wird. Hierdurch wird ein besserer Wärmeübergang von der ersten zur zweiten Schale erreicht und die so übertragene Wärme kann durch das Kühlmittel besonders gut abgeführt werden. Bei Unterschreiten der Solltemperatur kann eine Zurückstellung der zweiten Schale in die Ausgangsstellung erfolgen, beispielsweise über einen sogenannten Memory-Effekt oder über ein Federelement oder über einen Springeffekt durch entsprechende Verformung des Materials. Desweiteren ist es auch möglich, in den Spalt zwischen erster und zweiter Schale Kühlmittel mit Überdruck einzuspeisen, um die zweite Schale gegenüber der ersten Schale in die Ausgangsstellung zurückzustellen, so daß wieder ein Abstandsspalt zwischen der ersten und der zweiten Schale gebildet ist und die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung unterbunden ist. In dem Falle, daß zwischen erster und zweiter Schale Kühlmittel oder ein anderes fluides Medium eingeführt wird, um die Zurückstellung zu erreichen, ist es erforderlich, daß auch die erste Schale gasdicht am Flansch angeschlossen ist.

Wie schon oben beschrieben, ist vorzugsweise vorgesehen, daß bei Unterschreiten der Betriebstemperatur in den Bereich zwischen erster und zweiter Schale Kühlflüssigkeit eingespeist wird, durch welche die zweite Schale in die Lage zurückgestellt beziehungsweise -geformt wird, in der ein Luftspalt zwischen erster und zweiter Schale gebildet ist.

Eine Weiterbildung wird zudem darin gesehen, daß die Temperatur des Motorkühlkreises, des Motoröles und/oder des Abgases gemessen wird, die Temperatur mit einem elektronisch gespeicherten Temperatursollwert in einem elektronischen Vergleicher verglichen wird, bei Unterschreiten eines unteren Temperatursollwertes die Zufuhr von Kühlmittel in den Raum zwischen zweiter und dritter Schale gesperrt wird oder Kühlmittel mit geringem Überdruck von zum Beispiel etwa 1,2 bar in den Raum zwischen zweiter und dritter Schale eingespeist wird, bei Überschreiten eines oberen Temperatursollwertes Kühlmittel in den Raum zwischen zweiter und dritter Schale eingespeist wird oder Kühlmittel mit höherem Druck von mehr als 1,2 bar eingespeist wird.

Es ist selbstverständlich, daß die Regelung und Steuerung der Aufwärm- und Kühlfunktion durch elektronische und elektrische Elemente erfolgen kann. Die entsprechenden Vergleichssignale wie Temperatur und Druck können durch analoge Meßinstrumente aufgenommen werden. Die Meßsignale können dann über einen Analog-Digital-Wandler in elektronische Signale umgewandelt werden, die in einem Speicher abgelegt werden können, beziehungsweise mit in einem Speicher abgelegten Daten verglichen werden können, so daß mittels eines Mikroprozessors oder dergleichen, Signale aus den digital erfassten Werten abgeleitet und zur Betätigung der entsprechenden Stellorgane (Ventile, Pumpen oder dergleichen) benutzt werden können.

Bevorzugt kann dazu vorgesehen sein, daß das Kühlmittel für den Auspuffkrümmer von Beginn der Inbetriebnahme des Motors vorgewärmt und bis zum Erreichen des unteren Temperatursollwertes vorgewärmtes Kühlmittel in den Raum zwischen zweiter und dritter Schale eingespeist wird.

Auch kann vorgesehen sein, daß in der Aufwärmphase vorgewärmtes Kühlmittel in den Raum zwischen erster und zweiter Schale eingespeist wird.

Die erfindungsgemäße Ausbildung ermöglicht ein umfassendes Wärmemanagement im Bereich des Auspuffkrümmers, wodurch eine entsprechende Beeinflussung der Abgastemperatur erreicht wird. Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Auspuffkrümmers ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden kurz beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Auspuffkrürnmer vom Eingangsflansch her gesehen;

Fig. 2 desgleichen vom Auslassflansch her gesehen;

Fig. 3 einen Schnitt entsprechend der Schnittlinie III/III in Fig. 2 gesehen;

Fig. 4 einen Schnitt entsprechend der Schnittlinie IV/IV der Fig. 2 gesehen.

In der Zeichnung ist ein Auspuffkrümmer 1 für Brennkraftmaschinen, insbesondere für wassergekühlte Motoren gezeigt, wobei eine solche Ausbildung insbesondere für sogenannte GDI-Motoren brauchbar ist. Der Auspuffkrürnmer weist einen motorseitig befestigbaren Eingangsflansch 2 mit entsprechenden Abgasdurchlässen 3 und Schraubendurchtrittslöcher für die Befestigung auf sowie einen Auslassflansch 4, der ebenfalls eine Abgasauslassöffnung 5 und Lochungen für Befestigungsschrauben aufweist. Zwischen Eingangsflansch 2 und Auslassflansch 4 ist ein mehrschaliges Verbindungsteil vorgesehen. Dieses besteht aus einer ersten abgasführenden Schale 6, die sämtliche Abgasdurchlassöffnungen 3 des Eingangsflansches umgibt, wie in Fig. 3 ersichtlich und zu der Abgasöffnung 5 des Auslassflansches 4 hin führt und dort eingesteckt ist. Mittels dieser ersten Schale 6 werden die durch den Eingangsflansch 2 einströmenden Abgase zum Auslassflansch 4 hin geführt. An diesen ist ein entsprechendes abgasführendes Rohr angeschlossen, wobei insbesondere in dieses Rohr auch ein Katalysator oder dergleichen eingebaut ist.

Die erste Schale 6 ist mit Luftspalt von einer zweiten Schale 7 umgeben, die am Eingangsflansch 2 und am Auslassflansch 4 fluiddicht fixiert ist. Im Ausführungsbeispiel besteht sowohl die erste Schale 6 als auch die zweite Schale 7 aus relativ dünnwandigem Blech. Desweiteren ist eine dritte Schale 8 vorgesehen, die die zweite Schale 7 außenseitig umgibt und die ebenfalls an den Eingangsflansch 2 und den Auslassflansch 4 fluiddicht angeschlossen, insbesondere angeschweißt ist. Die dritte Schale 8 ist aus Blechmaterial größerer Wandstärke ausgebildet, da sie praktisch die tragende Schale bildet. Zudem weist die dritte Schale 8 einen Flüssigkeitseinlaß 9 und einen Flüssigkeitsauslaß 10 auf. An diese sind entsprechende Zulauf- und Rücklaufleitungen eines flüssigkeitsgespeisten Kühlkreislaufes anschließbar, so daß der Spalt 11 zwischen zweiter Schale 7 und dritter Schale 8 zum Zwecke der Kühlung oder auch zum Zwecke der Vorwärmung mit Kühlmittel oder erwärmtem Kühlmittel gefüllt beziehungsweise von diesem durchströmt werden kann. Die Wandstärke der zweiten Schale 7 ist vorzugsweise so bemessen, daß in Abhängigkeit vom Druck des zugeführten Kühlmittels es möglich ist, die zweite Schale 7 aus der Position, die beispielsweise in Fig. 4 ersichtlich ist, in eine Position zu verlagern, in der wesentliche Wandungsteile der zweiten Schale 7 in unmittelbarer Berührung mit Wandungsteilen der ersten Schale 6 stehen, um eine Wärmeleitung zwischen diesen beiden Teilen zu ermöglichen. Die entsprechende Wärme kann dann über das Kühlmittel abgeführt werden.

Die entsprechende Steuerung des Kühlkreislaufes zum Wärmemanagement und insbesondere zur Vermeidung von zu hohen Abgastemperaturen ist in der vorgehenden Beschreibung erläutert.

Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.

Alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.

Claims

1. Auspuffkrümmer (1) für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, vornehmlich für wassergekühlte Motoren, mit einem motorseitig befestigbaren Eingangsflansch (2) sowie einem Auslassflansch (4) zum Anschluß von abgasführenden Rohren, wobei zwischen Eingangsflansch (2) und Auslassflansch (4) ein mehrschaliges Verbindungsteil vorgesehen ist mit einer ersten abgasführenden Schale (6), mittels derer die durch den Eingangsflansch (2) einströmenden Abgase zum Auslassflansch (4) geführt sind, und einer die erste Schale (6) mit Luftspalt umgebenden zweiten Schale (7), die am Eingangsflansch (2) und Auslassflansch (4) fluiddicht fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Schale (8) vorgesehen ist, die die zweite Schale (7) auf der der ersten Schale (6) abgewandten Seite unter Bildung eines Fluidspaltes (11) umgibt und die an den Eingangsflansch (2) und den Auslassflansch (4) fluiddicht angeschlossen ist, und daß die dritte Schale (8) einen Flüssigkeitseinlass (9) sowie einen Flüssigkeitsauslass (10) aufweist, die jeweils in den zwischen zweiter und dritter Schale (7, 8) gebildeten Fluidspalt (11) münden und an die die Zulauf- beziehungsweise Rücklaufleitung eines flüssigkeitsgespeisten Kühlkreislaufes angeschlossen ist.

2. Auspuffkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Flüssigkeitseinlass (9) und den Flüssigkeitsauslass (10) eine Zulaufleitung beziehungsweise Rücklaufleitung des Kühlkreislaufes des wassergekühlten Motors angeschlossen ist.

3. Verfahren zum Betrieb eines Auspuffkrümmers (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Aufwärmphase des Motors und des angeschlossenen Abgassystems keine Kühlflüssigkeit oder Kühlflüssigkeit mit geringem Druck, insbesondere mit einem Betriebsdruck von 1,1 bis 1,4 bar, in den Fluidspalt (11) zwischen zweiter und dritter Schale (7, 8) eingespeist wird, und nach Erreichen der Betriebstemperatur des Motors und des angeschlossenen Abgassystems Kühlflüssigkeit oder Kühlflüssigkeit mit höherem Druck eingespeist wird, so daß die zweite Schale durch den Flüssigkeitsdruck an die erste Schale (6) mindestens in Teilbereichen angedrückt wird und eine wärmeleitende Verbindung zwischen erster und zweiter Schale (6, 7) gebildet wird, wobei bei Unterschreiten der Betriebstemperatur die zweite Schale (7) in die Ausgangsstellung, in der zwischen ihr und der ersten Schale (6) ein Luftspalt gebildet ist, zurückgestellt wird oder sich selbständig zurückstellt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreiten der Betriebstemperatur in den Bereich zwischen erster und zweiter Schale (6, 7) Kühlflüssigkeit eingespeist wird, durch welche die zweite Schale (7) in die Lage zurückgestellt beziehungsweise -geformt wird, in der ein Luftspalt zwischen erster und zweiter Schale (6, 7) gebildet ist.

5. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Motorkühlkreises, des Motoröles und/oder des Abgases gemessen wird, die Temperatur mit einem elektronisch gespeicherten Temperatursollwert in einem elektronischen Vergleicher verglichen wird, bei Unterschreiten eines unteren Temperatursollwertes die Zufuhr von Kühlmittel in den Raum (11) zwischen zweiter und dritter Schale (7, 8) gesperrt wird oder Kühlmittel mit geringem Überdruck von zum Beispiel etwa 1,2 bar in den Raum (11) zwischen zweiter und dritter Schale (7, 8) eingespeist wird, bei Überschreiten eines oberen Temperatursollwertes Kühlmittel in den Raum (11) zwischen zweiter und dritter Schale (7, 8) eingespeist wird oder Kühlmittel mit höherem Druck von mehr als 1,2 bar eingespeist wird.

6. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel für den Auspuffkrümmer (1) von Beginn der Inbetriebnahme des Motors vorgewärmt und bis zum Erreichen des unteren Temperatursollwertes vorgewärmtes Kühlmittel in den Raum (11) zwischen zweiter und dritter Schale (7, 8) eingespeist wird.

7. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aufwärmphase vorgewärmtes Kühlmittel in den Raum zwischen erster und zweiter Schale (6, 7) eingespeist wird.