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Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer zur Anbringung an einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Die genannten Abgaskrümmer konnten sich jedoch trotz ihrer geringen Masse und der sich daraus ergebenden Vorteile aufgrund einer gegenüber den zuvor eingesetzten Abgaskrümmern etwas erhöhten Geräuschentwicklung nicht am Markt durchsetzen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgaskrümmer zur Anbringung an einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welcher eine geringe Masse aufweist und die durch die Brennkraftmaschine erzeugten Geräusche in ausreichendem Maße dämpft.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Das erfindungsgemäß eine Vielzahl von sich zwischen den Kettfäden und den Schussfäden befindliche Poren aufweisende Metallgewebe, welches den Gasführungskanal bildet, wirkt vorteilhafterweise sowohl als Kanal zur Führung der den Zylinderkopf verlassenden Abgase als auch als Schalldämpfer, da die Poren den in dieselben einströmenden Schall durch Umwandeln der Schallschnelle-Energie des Schalls in Wärmeenergie absorbieren, wodurch der von der Brennkraftmaschine erzeugte Schall stark gedämpft wird, so dass der Gasführungskanal als Schalldämpfer wirkt.
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Des weiteren ergibt sich aufgrund der Poren des erfindungsgemäßen Metallgewebes eine bessere Führung für das innerhalb des Gasführungskanals strömende Abgas, da im Gegensatz zu einem Kanal mit einer glatten Wandung keinerlei störende Grenzschichten vorhanden sind, wenn die Poren ausreichend klein sind.
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Dabei bleiben die bislang vorhandenen Vorteile des Abgaskrümmers bezüglich der Gewichts- und Kosteneinsparung und den dadurch erheblich verkürzten Reaktionszeiten des dem Abgaskrümmer nachgeschalteten Katalysators vollständig erhalten.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Gasführungskanal und dem Abgassammelgehäuse eine weitere, aus einem gasundurchlässigen Material bestehende Wandung vorgesehen ist. Eine solche zusätzliche Wandung bildet die zur Wirkung des Metallgewebes als Schalldämpfer erforderliche schallharte Wand bzw. einen Schallreflektor und reflektiert den durch die Poren des Metallgewebes hindurchdringenden Schall zurück zu dem Metallgewebe. Dadurch ergibt sich eine noch bessere Schalldämmung. In dem Fall, in dem auf die weitere Wandung verzichtet wird, übernimmt das Abgassammelgehäuse die Funktion der schallharten Wand. Ein weiterer Vorteil, der sich durch die weitere, aus dem gasundurchlässigen Material bestehende Wandung ergibt, ist die Abschirmung des Abgassammelgehäuses, also der äußeren Wand des Abgaskrümmers, gegenüber der Wärme der in dem Gasführungskanal strömenden Abgase. Dadurch wird ein zu starker Wärmeverlust der Abgase vermieden und es wird sichergestellt, dass diese mit einer ausreichend hohen Temperatur an einem dem Abgaskrümmer nachgeschalteten Katalysator ankommen. Für diese Wärmeisolierung sorgt auch ein sich zwischen der weiteren Wandung und dem Abgassammelgehäuse bildender Luftspalt, der wärmedämmend wirkt.
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Vorzugsweise besteht die weitere Wandung aus einem schallreflektierenden, elastischen Material. Durch diese Ausgestaltung kann auch ein verhältnismäßig dünnes, beispielsweise eine Dicke von weniger als 0,8 mm aufweisendes Material für die weitere Wandung eingesetzt werden, um auf diese Weise die Gesamtmasse des Abgaskrümmers nicht zu stark zu erhöhen.
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Eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit des Gasführungskanals ergibt sich, wenn die Kettfäden und die Schussfäden des Metallgewebes aus einem hochlegierten Stahl bestehen.
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Des weiteren kann in einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Metallgewebe mit einem katalytisch wirksamen Material beschichtet ist. Durch eine derartige Beschichtung mit einem katalytischen Material kann das Metallgewebe als Vorkatalysator wirken, wodurch ein dem Abgaskrümmer nachgeschalteter Katalysator eventuell geringer dimensioniert werden kann.
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Eine besonders gute Schallabsorption durch den Gasführungskanal ergibt sich, wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Verhältnis der Poren zu der Gesamtfläche des Metallgewebes 0,2 bis 2% beträgt. Ein derartiges, auch als Lochflächenverhältnis bezeichnetes Verhältnis der Poren zu der Gesamtfläche des Metallgewebes hat sich zu diesem Zweck als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
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Es zeigt:
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1 eine stark schematisierte Brennkraftmaschine mit einem daran angebrachten erfindungsgemäßen Abgaskrümmer;
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2 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers;
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3 eine Draufsicht auf ein Metallgewebe zur Bildung des Gasführungskanals;
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4 eine Ansicht des Metallgewebes gemäß dem Pfeil IV aus 3;
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5 einen Schnitt durch den Abgaskrümmer aus 2.
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6 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers; und
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7 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers.
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In 1 ist ein Abgaskrümmer 1 dargestellt, der an einem Zylinderkopf 2 einer Brennkraftmaschine 3 angebracht ist. In der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich um eine Brennkraftmaschine 3 in Reihenbauweise, bei welcher der Zylinderkopf 2 lediglich eine Zylinderbank 4 mit in diesem Fall vier Zylindern bzw. Brennräumen 5 aufweist. Bei Brennkraftmaschinen 3 in V-Bauweise könnten selbstverständlich mehrere Zylinderbänke 4 vorgesehen sein, an denen dann jeweils ein Abgaskrümmer 1 angebracht wäre.
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In dem Zylinderkopf 2 befinden sich vier von den Zylindern 5 ausgehende Abgasbohrungen 6, die in den Abgaskrümmer 1 münden, wodurch das Abgas in den Abgaskrümmer 1 gelangt. Der Abgaskrümmer 1 ist an seiner der Brennkraftmaschine 3 abgewandten Seite mit einer Öffnung 7 versehen, die sich an einer beliebigen Stelle befinden kann und an welche sich in an sich bekannter Weise eine Abgasleitung 8 anschließt. Ein nicht dargestellter, zur Reinigung der Abgase dienender Abgaskatalysator kann sich ebenfalls in der Abgasleitung 8 befinden.
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2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine erste Ausführungsform des Abgaskrümmers 1. Dieser weist ein Abgassammelgehäuse 9 auf, welches die Abgase aus den Abgasbohrungen 6 des Zylinderkopfes 2 aufnimmt. Zwischen dem Abgassammelgehäuse 9 und dem in den folgenden Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten Zylinderkopf 2 befindet sich eine Dichtungseinrichtung 10. An seinem gesamten Umfang ist das Abgassammelgehäuse 9 von einem umlaufenden Bund 11 umgeben, in welchem sich Ausnehmungen 12 zur Durchführung von Befestigungsmitteln 13, wie z. B. die Kombination Schraube/Mutter befinden. Mit den Befestigungsmitteln 13 wird das Abgassammelgehäuse 9 an dem Zylinderkopf 2 angebracht. Das Abgassammelgehäuse 9 besteht vorzugsweise aus einem Stahlblech, es kann jedoch auch aus Guss, beispielsweise aus Grauguss, ausgeführt sein.
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Innerhalb des Abgassammelgehäuses 9 befindet sich ein Gasführungskanal 14, welcher ein an die Kontur des Abgassammelgehäuses 9 angepasstes Hauptteil 15 und ein in Richtung der Dichtungseinrichtung 10, also in Richtung des Zylinderkopfes 2, angeordnetes Bodenteil 16 aufweist. Das Bodenteil 16 dient zur Versteifung des Gasführungskanals 14 und zur Abschirmung des Zylinderkopfes 2 gegenüber der Hitze aus dem Gasführungskanal 14. Das Bodenteil 16 kann gegebenenfalls weggelassen werden, wobei dann die Dichtungseinrichtung 10 dessen Funktion übernimmt.
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Das Bodenteil 16 des Gasführungskanals 14 ist mit vier Bohrungen 17 versehen, deren Positionen jeweils wenigstens annähernd mit den Positionen der vier Abgasbohrungen 6 des Zylinderkopfes 2 übereinstimmen, so dass die Abgase problemlos in den Gasführungskanal 14 eingeleitet werden können.
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Der Gasführungskanal 14, im vorliegenden Fall der Hauptteil 15 des Gasführungskanals 14, ist an seiner dem Zylinderkopf 2 zugewandten Seite mit einem im vorliegenden Fall entlang seines gesamten Umfangs umlaufenden Bund 18 versehen, welcher zwischen dem Abgassammelgehäuse 9 und der Dichtungseinrichtung 10 eingeklemmt ist. Auch das Bodenteil 16 weist einen dem Bund 18 des Hauptteils 15 entsprechenden umlaufenden Bund 19 auf, der zwischen dem umlaufenden Bund 18 des Hauptteils 15 und der Dichtungseinrichtung 10 angeordnet ist.
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Um dem Gasführungskanal 14 durch Wärmeeinwirkung hervorgerufene Bewegungen gegenüber der Dichtungseinrichtung 10 und/oder dem Abgassammelgehäuse 9 zu erlauben, weist das Abgassammelgehäuse 9 einen umlaufenden Rücksprung 20 auf, in welchem der umlaufende Bund 18 und im vorliegenden Fall auch der umlaufende Bund 19 geführt sind.
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Der Gasführungskanal 14 des Abgaskrümmers 1 besteht aus einem Metallgewebe 21, welches in 3 und 4 detailliert dargestellt ist.
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Das Metallgewebe 21 weist Kettfäden 22 und Schussfäden 23 auf, zwischen denen sich, wie in 4 erkennbar ist, Poren 24 befinden. Das Metallgewebe 21 ist vorzugsweise gewalzt, wodurch das Verhältnis der Poren 24 zu der Gesamtfläche des Metallgewebes 21 eingestellt werden kann. Im vorliegenden Fall beträgt dieses Verhältnis der Poren 24 zu der Gesamtfläche des Metallgewebes 21, das sogenannte Lochflächenverhältnis, vorzugsweise 0,2 bis 6% Die Poren 24 des Metallgewebes 21 dienen dazu, die Schallschnelle-Energie des auf den Gasführungskanal 14 auftreffenden Schalls, der sich hauptsächlich durch die Verbrennungen innerhalb der Brennkraftmaschine 3 ergibt, in Wärme umzuwandeln und auf diese Weise die Schallwellen zu absorbieren. Außerdem bilden die Poren 24 Luftpolster, die für eine gewisse thermische Isolierung sorgen.
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Durch das nicht dargestellte Walzen des Metallgewebes 21 für den Gasführungskanal 14 wird neben der Verkleinerung der Poren 24 auch die Dicke des Metallgewebes 21 verringert. Die für die Verringerung dieser Dicke des Metallgewebes 21 erforderliche Presskraft kann statt durch Walzen auch durch Pressen des Metallgewebes 21 in einem Gesenk aufgebracht werden. Je nach Umformgrad beim Walzen kann der Schallwiderstand des Metallgewebes 21 eingestellt werden.
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Um besondere Erfordernisse zu erfüllen, können gegebenenfalls auch profilierte Drähte als Kettfäden 22 und Schussfäden 23 verwendet werden. In diesem Zusammenhang ist es gegebenenfalls möglich, unterschiedliche Profile einzusetzen.
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Zur Herstellung des Metallgewebes 21 werden die Kettfäden 22 und die Schussfäden 23 mit einem an sich bekannten Webverfahren miteinander verwebt, wobei hervorzuheben ist, dass annähernd alle bekannten Webverfahren eingesetzt werden können. Durch eine bestimmte Webart lassen sich auf beiden Seiten des Gewebes unterschiedliche Strukturen erzielen, beispielsweise eine glatte und eine raue Struktur. Die Kettfäden 22 und die Schussfäden 23 des Metallgewebes 21 bestehen vorzugsweise aus einem hochlegierten Stahl, der in der Lage ist, den hohen Abgastemperaturen problemlos standzuhalten. Vorzugsweise bestehen die Kettfäden 22 und die Schussfäden 23 aus demselben Material, es kann jedoch auch unterschiedliches Material verwendet werden.
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Um eine Strukturierung der Oberfläche des Metallgewebes 21 zu erzielen, können alternativ beim Walzen des Metallgewebes 21 eine oder auch beide verwendeten Walzen eine raue Oberfläche aufweisen, die sich auf das Metallgewebe 21 abbildet. Hierdurch lässt sich die Streuung des auf das Metallgewebe 21 auftreffenden Schalls verändern.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Kettfäden 22 und die Schussfäden 23 im wesentlichen denselben Durchmesser auf, d. h. es ergeben sich maximale Unterschiede von 0,01–0,5 mm. Selbstverständlich können die Kettfäden 22 und die Schussfäden 23 auch erheblich unterschiedlichere Durchmesser aufweisen.
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In dem Schnitt gemäß 5 ist der Abgaskrümmer aus 2 nochmals dargestellt. Hier ist noch besser zu erkennen, wie der Bund 18 des Hauptteils 15 gemeinsam mit dem Bund 19 des Bodenteils 16 unter dem Rücksprung 20 des Abgassammelgehäuses 9 eingeklemmt ist und so von demselben festgehalten wird. Aufgrund des für die Dichtungseinrichtung 10 gewählten Materials, welches zum einen elastisch ist und zum anderen zum Beispiel durch eine aufgebrachte Beschichtung einen niedrigen Reibwert aufweist, und der Tatsache, dass die Befestigungsmittel 13 nur bis zu einem gewissen Drehmoment angezogen werden, kann sich der Gasführungskanal 14 innerhalb gewisser Grenzen gegenüber dem Abgassammelgehäuse 9 und der Dichtungseinrichtung 10 bewegen.
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Bei einem Vergleich der linken Hälfte von 5 mit der rechten Hälfte von 5 wird deutlich, dass das Hauptteil 15 auf verschiedene Weise mit dem Bodenteil 16 verbunden sein kann, was von dem verwendeten Material, dem Aufbau des gesamten Abgaskrümmers 1 und insbesondere von der jeweiligen Brennkraftmaschine 3 abhängt. Beide Ausführungen können jeweils spezielle Vorteile aufweisen.
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In 6 ist eine weitere Ausführungsform des Abgaskrümmers 1 dargestellt. Hierbei ist zwischen dem aus dem Metallgewebe 21 bestehenden Gasführungskanal 14 und dem Abgassammelgehäuse 9 eine weitere, aus einem gasundurchlässigen Material bestehende Wandung 25 vorgesehen. Vorzugsweise besteht die weitere Wandung 25 aus einem schallreflektierenden, elastischen Material, insbesondere einem Stahl, der gegebenenfalls auch hochlegiert sein kann. Die zusätzliche Wandung 25, deren Dicke weniger als 0,8 mm, vorzugsweise ca. 0,2–0,4 mm, betragen und die demnach als Metallfolie ausgeführt sein kann, wirkt als schallharte Wand für den aus dem Metallgewebe 21 bestehenden Gasführungskanal 14, indem sie die Schallwellen in Richtung des Gasführungskanal 14 reflektiert und trägt damit zur Schallabsorption durch das Metallgewebe 21 bei. Zusätzlich sorgt die Wandung 25 auch für eine Wärmeabschirmung des Abgassammelgehäuses 9 gegenüber dem Gasführungskanal 14, so dass die in dem den Gasführungskanal 14 durchströmenden Abgas enthaltene Wärme nicht bis zu dem Abgassammelgehäuse 9 gelangen kann. Hierbei bildet sich zwischen dem Abgassammelgehäuse 9 und der weiteren Wandung 25 ein Luftspalt 26 innerhalb des Abgassammelgehäuses 9, der eine zusätzliche Wärmeisolation bewirkt.
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In nicht dargestellter Weise kann das Metallgewebe 21 mit einem katalytisch wirksamen Material beschichtet sein, um auf diese Weise einen Vorkatalysator zu bilden, der einen Teil der in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe umwandelt.
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Unabhängig davon ist in 7 eine Ausführungsform des Abgaskrümmers 1 dargestellt, bei welcher innerhalb des Gasführungskanals 14 ein Katalysator 27 angeordnet ist. Der Katalysator 27 ist in Form einer gewickelten Folie ausgebildet, die im vorliegenden Fall spiralförmig gewickelt ist, so dass zur Bildung des Katalysators 27 lediglich eine Folie erforderlich ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere plattenförmige Folien nebeneinander anzuordnen, um den Katalysator 27 zu bilden. Hierbei kann die Folie sehr dünn ausgeführt sein und eine Dicke von weniger als 0,1 mm aufweisen. Die Oberflächenstruktur des Katalysators 27 kann gelocht, perforiert, quergewellt oder auf ähnliche Art und Weise ausgebildet sein und aufgesintertes Pulver, Späne und/oder Fasern aufweisen. Vorzugsweise besteht die Folie zur Bildung des Katalysators 27 zu ihrem überwiegenden größten Teil aus Metall, gegebenenfalls können aber auch andere Materialien dafür vorgesehen sein. Auch eine Bildung des Katalysators 27 aus dem Material des Metallgewebes 21 ist denkbar. Im Falle des Vorhandenseins des Katalysators 27, der aus dem Metallgewebe 21 besteht, kann der Gasführungskanal 14 aus einer Metallfolie, ähnlich zu der Wandung 25, ausgeführt sein.
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Im vorliegenden Fall ist der Gasführungskanal 14 in sämtlichen dargestellten Ausführungsbeispielen in Haubenform ausgebildet, es ist jedoch auch möglich, denselben aus mehreren ineinander gesteckten, einzelnen Kanalteilen auszuführen, was in den Zeichnungen jedoch nicht dargestellt ist.
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Des weiteren kann an der Außenseite des Abgassammelgehäuses 9 ein aus dem Metallgewebe 21 bestehendes Hitzeschild angeordnet sein, um innerhalb des Motorraums, in dem die Brennkraftmaschine 3 angeordnet ist, sich befindliche Teile vor einer eventuell zu starken Wärmestrahlung durch den Abgaskrümmer 1 zu schützen. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn die Wandung 25 nicht vorgesehen ist.
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Der Abstand zwischen dem Gasführungskanal 14 und dem Abgassammelgehäuse 9 bzw. im Falle des Vorhandenseins der Wandung 25 der Abstand zwischen dem Gasführungskanal 14 und der Wandung 25 kann in Abhängigkeit von der zu dämpfenden Frequenz eingestellt werden. Vorzugsweise sollte dieser Abstand dabei ungefähr λ/4 entsprechen, wobei λ = c/f. Hierbei ist λ die Wellenlänge und f die Frequenz der Schwingung; c ist die Schallgeschwindigkeit. Durch Verändern des genannten Abstands kann also eine frequenzabhängige Dämpfung des Schalls innerhalb des Gasführungskanals 14 eingestellt werden. Da das Metallgewebe 21 über einen sehr großen Frequenzbereich ein sehr gutes Absorptionsverhalten aufweist, wird zum einen ein Großteil der auftretenden Frequenzen absorbiert, zum anderen bedeutet dies, dass der genannte Abstand nur sehr grob eingestellt werden. muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1389267 B1 [0002]
- EP 1206631 B1 [0002]
- DE 10212236 A1 [0002]
