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Die
Erfindung betrifft einen luftspaltisolierten Abgaskrümmer
einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
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Abgaskrümmer
bestehen in aller Regel aus Abgasleitungsabschnitten, die als Einzelbauteile
jeweils einem Zylinder des Motors zugeordnet sind und das Abgas
aus dem Zylinderkopf nach außen abführen. Diese
Abschnitte sind mit einem Sammelabgasleitungsabschnitt verbunden,
bzw. ein Sammelrohr, in dem die Einzelabgasströme zusammengeführt sind,
wobei dort diese Ströme miteinander vermischt oder getrennt
weitergeführt werden.
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Die
Abschnitte können in einer häufig verwendeten
Variante insgesamt als Rohrbögen und ein oder mehrere T-Stücke
ausgebildet sein, die ineinander gesteckt sind, so dass das T-Stück,
das dem Rohrbogen stromab nächst liegend angeordnet ist, dessen
Abgasstrom übernimmt und weiterführt. Das nächste
T-Stück übernimmt den Abgasstrom des vorigen T-Stücks
usw., bis der Gesamtstrom vom ebenfalls als T-Stück ausgebildeten
und mit einem Motorzylinder unmittelbar verbundenen Sammelrohr aufgenommen
wird. Das Sammelrohr bildet dabei den – stromab gesehen – letzten
Abgasleitungsabschnitt des Abgaskrümmers.
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Des
Weiteren kann in einer anderen Variante jeder der Abgasleitungsabschnitte
unmittelbar an dem Sammelrohr angeschlossen sein. Es können
in einem Sonderfall jedoch auch Abgasleitungsabschnitte in Form
von T-Stücken ausgebildet sein, von denen zwei Enden an
unterschiedliche Auslässe von Motorzylindern angeschlossen
sind, während das dritte Ende mit dem Sammelrohr direkt
verbunden ist.
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Zur
Minimierung von Schadstoffen im Abgas eines Kraftfahrzeuges ist
es notwendig, dass ein Katalysator möglichst schnell nach
einem Kaltstart auf Betriebstemperatur aufgeheizt wird. Dies kann
erzielt werden, wenn die entstehende Motorwärme, also die in
der Verbrennungskraftmaschine erzeugte Wärme, möglichst
verlustfrei und direkt vom Ausgang der Verbrennungskraftmaschine
zu dem Katalysator befördert wird. Die abgasführenden
Komponenten zwischen dem Ausgang der Verbrennungskraftmaschine und
dem Katalysator sollten sich demnach schnell aufheizen und dabei
einen möglichst geringen Wärmeabfluss zulassen.
Andererseits ist es notwendig, den Katalysator vor einer Überhitzung
zu schützen. Hierzu sollte eine gewisse Wärmeabfuhr
im Bereich des Krümmers durch Wärmestrahlung gewährleistet sein.
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Es
ist bekannt, diesbezüglich luftspaltisolierte Abgaskrümmer
zu verwenden, die aus innen liegenden Heißgas führenden
Rohren und einem Außenmantel bestehen, wobei der Außenmantel
von den innen liegenden Rohren unter Ausbildung des Luftspaltes
beabstandet ist.
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Ein
entsprechender Krümmer ist aus der
DE 10357125 A1 bekannt.
Dort ist ein Krümmer für eine Abgasanlage offenbart,
dessen innen liegende Rohre durch eine einstückige Blechstruktur
gebildet sind. Auf diese Blechstruktur ist eine Gussstruktur aufgegossen,
wobei die Strukturen durch einen Luftspalt getrennt sind. Hierbei
sind während des Aufgießens der Gussstruktur Abstandselemente
vorgesehen, die nach dem Aufgießen unter Bildung eines
Luftspaltes entfernbar sind.
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Es
ist auch bekannt, luftspaltisolierte Abgaskrümmer rein
aus Blechmaterial zusammen zu bauen. Dies ist die am weitesten verbreitete
Variante von Abgaskrümmern, wobei der Luftspalt Wärme
isolierend wirkt. Hierbei werden in einer Variante die innenliegenden
Abgasrohre und der umgebende Außenmantel in Schalenform
mittels Tiefziehen hergestellt und anschließend untereinander
und miteinander gefügt. Weiterhin bekannt ist, Blechabgaskrümmer
mittels einer Innenhochdruck-Umformtechnik (IHU) auszubilden. Dabei
ist es möglich, durch die Wahl von Doppelrohren luftspaltisolierte
Krümmermodule zu schaffen, die dann miteinander gefügt
werden. Auch ist eine Variante bekannt, bei der allein die Innenrohre
mittels IHU oder auch konventioneller Rohrumformung und der Außenmantel
in tiefgezogener Schalenform ausgebildet, wonach der über
Schiebesitze hervorgehende Innenrohrverbund in die Schalen eingebracht
und mit diesen meist über eine Schweißverbindung
gefügt wird.
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Bei
Krümmern, die für sich oder insbesondere deren
Sammelrohre eine sehr komplexe Geometrie besitzen, ist ein relativ
großer apparativer Aufwand zur Herstellung erforderlich,
da aufgrund der auftretenden hohen Umformgrade mehrere Arbeitsschritte notwendig
sind. Dazu muss bisher das in einer ersten Vorrichtung umgeformte
Bauteil in einem Wärmeofen zwischengeglüht werden,
wonach es erst in einer zweiten Vorrichtung endumgeformt wird. Die
Arbeitsschritte müssen je nach Komplexität des Bauteils
mehrmals wiederholt werden, was zu einer hohen Taktzeit und damit
verbundenen zu hohen Herstellungskosten führt.
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Hochkomplexe
Krümmer, insbesondere Sammelrohre entstehen insbesondere
dann, wenn der Bauraum sehr knapp ist und/oder eine Anbindung an
eine Lambda-Sonde ausgebildet und/oder eine Verbindung zu einem
nächsten Bauteil wie einem Katalysator oder Abgasturbolader
geschaffen werden muss. Ferner wird das Sammelrohr oder der Krümmer
dann besonders komplex, wenn mehrere voneinander getrennte Abgasfluten
aufgenommen und die Abgasströme strömungsgünstig
zusammengeführt oder sogar getrennt geführt gehalten
werden müssen. Dies ist bisher mittels IHU nicht realisierbar.
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Aus
der
EP 0232953 A2 sind
ferner luftspaltisolierte Abgaskrümmer bekannt, dessen
Innenrohre als Einzelbauteile separat gegossen sind. Hiernach werden
diese in einem Gießverfahren in einem Außenmantel
eingegossen. Ein derartiger Krümmer ist sehr schwer, was
den heutigen Anforderungen an den Leichtbau von Kraftfahrzeugen
nicht entspricht.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgaskrümmer
zur Verfügung zu stellen, der auch bei einer Gestaltung
mit komplexer Geometrie in einfacher Weise mit der Erzielung eines möglichst
geringen Gewichts herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst.
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Dadurch,
dass zumindest eines der Abgasrohre aus Dünnwandguss gefertigt
ist und der Außenmantel aus einem Blechmaterial besteht,
können Abgaskrümmer relativ einfach hergestellt
werden, denen eine hochkomplexe Form vorgegeben ist, wobei der komplexe
Bereich des Krümmers von dem Abgasrohr aus Dünnwandguss
dargestellt wird. Da der Abgaskrümmer aus Einzelbauteilen
zusammengebaut ist, können unterschiedliche Varianten von Abgaskrümmern
hergestellt werden, wobei das Abgasrohr aus Dünnwandguss
als Gleichteil an einer unterschiedlichen Stelle angeordnet ist.
Alternativ kann das Dünnwandguss-Abgasrohr auch als Sonderbauteil
konzipiert sein, das speziell auf den Bedarf des einzelnen Krümmers
abgestimmt ist. Der Abgaskrümmer kann auch mehrere Abgasrohre
aus Dünnwandguss aufweisen, wenn dies gefordert ist. Der Außenmantel
muss bei den Varianten des innenliegenden Abgasrohrverbundes nicht
zwangsweise in seiner Form und seinem Querschnitt verändert
werden, was den Herstellungsaufwand bezüglich der Varianten
sehr stark reduziert. Bei besonderen Formen jedoch lässt
sich auch eine Änderung der Form des Außenmantels
nicht umgehen. Bisweilen ist dies auch von den Umgebungsbedingungen
gefordert, wenn Bauräume besonders knapp sind und der Außenmantel
entsprechend angepasst werden muss.
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Der
Abgaskrümmer ist trotz seiner Komplexität bezüglich
seiner Form sehr leicht, da die Wanddicken des Dünnwandgusses
gering sind und sich – wenn überhaupt – nur
geringfügig von den aus Stahlblech hergestellten anderen
Abgasrohren unterscheiden. Es sei an dieser Stelle betont, dass
ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers
darin liegt, dass dieser nur an in seinem komplexen Bereich mit
dem Gussbauteil ausgestattet sein muss, in den anderen Bereichen
mit geringer Komplexität kann man in einfacher Weise auf
billige und leicht auszuführende wohlbekannte Herstellungstechniken
wie z. B. das Innenhochdruckumformen von geradlinigen oder gebogenen
Rohren zurückgreifen. Des Weiteren kann der erfindungsgemäße
Abgaskrümmer durch geeignete Wahl des Werkstoffes seiner
einzelnen Bauteile auf die Wärmebelastungsverteilung im
Motorbetrieb gezielt abgestimmt werden. Aufgrund der dünnwandigen
Bauweise des Abgasrohres aus Guss weist dieses die zumindest annähernd
gleiche Wärmekapazität auf wie die restlichen
mit geringerer Komplexität ausgebildeten Abgasrohre aus
Blech, so dass einerseits es zu keiner Absenkung der Temperatur
des Abgases kommt, was die Anspringzeit des Katalysators vergrößern
würde, und andererseits keine gravierenden Unterschiede
in der Wärmeausdehnung der einzelnen Abgasrohre auftreten,
die eventuell zu Verklemmungen der Abgasrohre untereinander und
dadurch zu Beschädigung des Abgaskrümmers führen
können.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2
umfasst das Gussmaterial Eisen und ist vorzugsweise Stahlguss. Hierdurch
ist gesichert, dass das Abgasrohr auch hohe Wärmebelastungen,
insbesondere Wechselbelastungen aushält ohne Schaden zu
nehmen.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3
beträgt die Wanddicke des Abgasrohres 1 mm bis 3 mm, vorzugsweise
2 mm. Diese Werte haben sich in vielfältigen Versuchen
als günstig erwiesen, wobei die Wanddicke des Gussabgasrohres
so ist, dass einerseits es mechanisch und thermisch beständig
bleibt und andererseits gewichtsneutral ist, d. h. keine Vergrößerung
des Abgaskrümmergewichtes gegenüber einer reinen Blechausbildung
des Krümmers darstellt.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4
ist der Außenmantel aus zwei metallischen Halbschalen gebildet.
Hierdurch wird die Herstellung erheblich erleichtert, da es ansonsten grundsätzlich
erhebliche Schwierigkeiten bereitet, ein spezielles umfänglich
geschlossenes Bauteil aus Guss oder Blech herzustellen, das am Ort
des Gussabgasrohres dessen komplexer Form nachempfunden ist und
das innen liegende Abgasrohr mit Abstand – also luftspaltisoliert – umgibt.
Der Außenmantel kann dabei in einfacher Weise aus einem
metallischen Material, in einfachster Ausführung aus Blech tiefgezogen
sein. Vorteilhaft ist zudem, dass die Schalen aus unterschiedlichen
Materialgüten oder auch Materialarten gebildet sein können
und somit der Abgaskrümmer auch unter diesem Aspekt gewichtsoptimiert
an unterschiedliche thermische Bedingungen anpassbar ist. So ist
es prinzipiell denkbar, dass eine der Schalen aus Blech besteht
und die andere z. B. aus Titan.
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Beispielsweise
ist eine Verwendung von Halbschalen vorteilhaft, wenn im Abgaskrümmer mehrere
voneinander getrennte Gasströme geführt werden.
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Die
bisher bei bekannten komplexen Abgaskrümmern zur Bewerkstelligung
der mit der Komplexität einher gehenden hohen Umformgrade
notwendigen, besonders apparativ, aufwändigen Fertigungsschritte,
etwa Zwischenglühschritte in einem Wärmeofen,
entfallen aufgrund der Erfindung für den Abgaskrümmer
vollständig. Auf diese Weise lassen sich Investitionen
für Maschinen und Werkzeuge niedrig halten und dies führt
nicht mehr durch hohe Taktzeiten zu hohen Bauteilpreisen. Die apparative Vereinfachung
und Taktzeitreduzierung sind auch dem geschuldet, dass die weniger
komplexen Abgasrohre in einem einzigen Werkzeug mit einem einzigen
Arbeitsschritt erzeugt werden können.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5
sind die Abgasrohre im Schiebesitz miteinander verbunden. Hierdurch
können die Abgasrohre durch eine relative Verschiebbarkeit
untereinander während des Betriebes schadensfrei Wärmedehnungen
und Vibrationen ausgesetzt sein ohne sich voneinander zu lösen.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6
ist zumindest eines der Abgasrohre aus einem mittels Innenhochdruckumformen
geformten Stahlblechrohr gebildet, wodurch in einfacher Weise Abgasrohre
geringer komplexer Ausprägung herstellbar sind, die mit
dem komplexen Abgasrohr aus Guss zu einem Abgaskrümmer
verbunden werden, wie schon oben erwähnt ist. Hierbei steht
der Zuschnitt des Abgaskrümmers auf die unterschiedlichen
funktionellen Anforderungen an bestimmte Krümmerbereiche
im Vordergrund, wobei die Bereiche, die keine besonders komplexe
Ausbildung benötigen, einer möglichst einfachen
und preiswerten Herstellung unterworfen werden.
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Die
Erfindung umfasst des Weiteren eine Abgasanlage mit einem luftspaltisolierten
Abgaskrümmer, der ein als Gussteil ausgebildetes Abgassammelrohr
aufweist, an das sich eine zu einem Katalysator führende
Abgasleitung anschließt, und mit einer im Sammelrohr aufgenommenen
Lambda-Sonde. Da unter anderem aufgrund der Anbindung für
die Lambda-Sonde das Sammelrohr im Abgaskrümmer wohl meistens
das Bauteil mit der kompliziertesten Form ist, ist es für
die Ausbildung in Guss prädestiniert.
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Die
Erfindung wird nachstehend mit Hilfe einer Zeichnung näher
erläutert.
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Dabei
zeigt 1 perspektivisch miteinander verbundene Heißgas
führende Abgasrohre eines erfindungsgemäßen
Krümmers aus einer erfindungsgemäßen
Abgasanlage.
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Dort
ist der Heißgas führende Teil eines Abgaskrümmers 1 einer
Abgasanlage dargestellt, der ein hoch komplex ausgebildetes Sammelrohr 2 aus Dünnwandstahlguss
mit einer Vielzahl von Öffnungen 3 aufweist. In
zwei der Öffnungen 3 ist jeweils ein mit geringer
Komplexität ausgebildetes Abgasrohr 4 mit Schiebesitz
eingesteckt, das mittels Innenhochdrucktechnik ausgeformt ist. An
seiner Oberseite 5 besitzt das Sammelrohr 2 einen
mit einer Öffnung 6 versehenen Anschluss 7 für
die Anbringung einer Lambda-Sonde. Der nach unten abführende
Abschnitt 8 des Sammelrohres 2 ist – hier
nicht weiter dargestellt – mittels eines Ausgangsflansches
mit einer Abgasleitung verbunden, in die ein Katalysator integriert
ist.
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Der
gesamte Heißgas führende Teil des Abgaskrümmers 1 ist
in allgemein üblicher Weise in einen aus zwei Halbschalen
bestehenden Außenmantel eingebracht, wobei dieser mit Ausnahme
der Enden 9 des Heißgas führenden Teils,
die an einen jeweiligen Auslass eines Motorzylinderkopfes angeschlossen
sind, von dem Teil beabstandet ist. Der sich dabei ergebende Luftspalt
ist besitzt im Abgaskrümmer 1 eine weitgehend
gleichmäßige Breite.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10357125
A1 [0007]
- - EP 0232953 A2 [0011]