DE10244798A1 - Gasführende Leitung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Es wird ein gasführender Leitungsabschnitt (1), insbesondere ein Abgassammler, für eine Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine mit einem im Abgassystem angeordneten Abgaskatalysator vorgeschlagen. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist der Leitungsabschnitt (1) eine an seiner Innenwand wenigstens teilweise anliegende poröse Einlage (2), vorzugsweise in Form eines Sinterformkörpers, auf, die einen frei durchströmbaren Hohlkörper bildet; die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist in ihrem Abgassystem stromauf des darin angeordneten Abgaskatalysators einen Leitungsabschnitt auf, welcher insbesondere einen frei durchströmbaren, porösen Sinterformkörper enthält. DOLLAR A Anwendung insbesondere in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor.

Description

• Die Erfindung betrifft eine gasführende Leitung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 11.
• In der deutschen Patentschriftschrift DE 100 48 286 ist ein gasführender Leitungsabschnitt beschrieben, welcher insbesondere als Abgassammler für eine Brennkraftmaschine ausgebildet ist. Der Abgassammler ist auf seiner Innenwand mit einem adsorptiv wirkenden Material, beispielsweise auf Zeolith-Basis, beschichtet. Dieses Material kann Kohlenwasserstoffe (HC) adsorbieren, wodurch bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine zumindest ein Teil von im Abgas enthaltenen HC aus dem Abgas entfernt werden kann. Weitere Funktionen werden von der Beschichtung nicht übernommen. Der beschichtete Leitungsabschnitt wird durch den Abgaskrümmer und ein stromauf eines Katalysators liegendes Leitungsstück gebildet. Abgaskrümmer sind jedoch häufig hohen und rasch wechselnden Temperaturen ausgesetzt. Dies stellt sehr hohe Ansprüche auf eine direkt auf die Innenwand aufgetragene Beschichtung, insbesondere um ein Abplatzen der Beschichtung zu vermeiden.
• Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine gasführende Leitung mit verbesserten adsorptiven und mechanischen Eigenschaften anzugeben. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer geringen Schadstoffemission anzugeben.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Leitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
• Der erfindungsgemäße Leitungsabschnitt zeichnet sich dadurch aus, dass er eine an seiner Innenwand wenigstens teilweise anliegende poröse Einlage aufweist, die einen frei durchströmbaren Hohlkörper bildet. Die Einlage kann dabei einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein, wobei sie vorzugsweise die Innenwand des Leitungsabschnitts völlig oder zumindest überwiegend abdeckt. Die Einlage ist vorzugsweise als formstabiler poröser Einlagekörper ausgeführt. Vorteilhaft ist beispielsweise ein poröser Metallschaumkörper oder Keramikschaumkörper. Das Grundmaterial kann dabei zusätzlich geschlossenporig ausgebildet sein. Da derartige Schaumkörper eine geringe Dichte aufweisen, trägt die Einlage kaum etwas zur Masse eines aus Metall gefertigten Leitungsabschnitts bei. Die Einlage kann jedoch auch als Matte ausgeführt sein, die mit Hilfe eines Stützgitters an die Innenwand des Leitungsabschnitts angedrückt wird. Diese Matte kann dabei aus einem Gewebe oder Gewirke gebildet sein. Vorzugsweise lässt der durch die Einlage gebildete Hohlkörper den überwiegenden Teil des Querschnitts des Leitungsabschnitts frei, so dass der Gasdurchgang nicht behindert wird. Durch eine solcherart ausgeführte Einlage erhält der Leitungsabschnitt eine hinsichtlich leicht kondensierbarer Gasbestandteile absorbierende und/oder adsorbierende Wirkung.
• Bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Leitung im Abgassystem einer Brennkraftmaschine können HC-Bestandteile im Abgas adsorbiert werden, bis ein stromab liegender Katalysator seine Wirksamkeit erreicht hat. Ferner kann Wasserdampf, der ev. bereits zu Nebel kondensiert ist, eine Zeitlang zurückgehalten werden. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ein stromab des erfindungsgemäßen Leitungsabschnitts angebrachter Sensor sofort beheizt werden kann, ohne durch sog. Wasserschlag gefährdet zu sein.
• Ein weiterer Vorteil einer solchen Einlage ist eine schalldämmende Wirkung, so dass Schallschwingungen des durch den Leitungsabschnitt strömenden Gases nicht nach außen dringen.
• In Ausgestaltung der Erfindung ist die Einlage aus einem hochtemperaturfesten Sinterformkörper gebildet. Unter hochtemperaturfest soll hier eine Temperaturbeständigkeit bis etwa 800°C oder darüber verstanden werden. Diese Ausführungsform eignet sich besonders für einen Abgassammler einer Brennkraftmaschine, da dieser hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Vorzugsweise ist der Sinterformkörper als zweiteiliger Schalenkörper ausgebildet. Die Teile des Sinterformkörpers können zur Montage somit in die Hälften eines aus zwei Halbschalen bestehenden Abgassammlers eingelegt werden und gegebenenfalls beispielsweise durch einen Keramikkleber eingeklebt werden. Nach Zusammenfügen der Halbschalen und Verschließen der Fügenaht wird so ein Abgassammler mit hoher schallisolierender Wirkung erhalten.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Sinterformkörper überwiegend aus faserförmigem Sintermaterialteilchen gebildet. Die Fasern können beispielsweise in ein Metallgitter eingearbeitet sein, wodurch der Sinterformkörper bei geringer Krafteinwirkung zwar formstabil ist, jedoch bei stärkerer Krafteinwirkung verformt und an die Innenkontur des Leitungsabschnitts angepasst werden kann. Durch die faserartige Natur des Grundmaterials wird dem Sinterformkörper eine poröse Struktur mit hoher Oberfläche verliehen. Daraus resultiert ein hohes Adsorptionsvermögen und eine hohe schalldämmende Wirkung des Leitungsabschnitts.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Sinterformkörper überwiegend aus Sintermaterialteilchen mit annähernd Kugelform gebildet. Mit dieser Ausführungsform wird ein Sinterformkörper mit guter Formstabilität und einer Vielzahl von offen Poren erhalten, da die vorzugsweise beim Sintervorgang nur schwach deformierten Kugeln des Sintermaterials im versinterten Zustand eine Vielzahl von miteinander verbundenen Hohlräumen bilden. Vorzugsweise ist das Grundmaterial, aus dem die Sintermaterialteilchen gebildet sind, selbst porös. Das Grundmaterial kann metallischer oder keramischer Natur sein. Durch die Kugelform des Grundmaterials wird ein Sinterformkörper erhalten, der sowohl geschlossenporig als auch offenporig gestaltet ist. Die Porosität ist dann vorzugsweise bimodal, d.h. es existieren zwei Maxima der Porenradienverteilung. Dadurch wird eine gute Adsorptionswirkung für eine breite Palette von Kohlenwasserstoffen erhalten.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Sinterformkörper überwiegend aus hohlkugelartigen Sintermaterialteilchen gebildet. Durch diese Ausführung wird ein Sinterformkörper mit besonders geringer Dichte und zusätzlich wärmeisolierenden Eigenschaften erhalten.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Sintermaterialteilchen einen im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm, insbesondere im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm liegenden Außendurchmesser auf. Ein aus derartigen Sintermaterialkugeln gefertigter Sinterformkörper verfügt über eine hohe Formstabilität sowie über eine hohe schalldämmende und adsorbierende Wirkung.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Sintermaterialteilchen eine im Bereich von 1% bis 20%, insbesondere im Bereich von 2% bis 5% des Außendurchmessers liegende Wandstärke auf. Damit wird eine vergleichsweise geringe Dichte des Sinterformkörpers erreicht, wobei die anderen Vorteile erhalten bleiben. Vorzugsweise wird eine Dichte von etwa 0,5 g/cm³ erreicht.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Sintermaterial überwiegend metallisch. Dadurch ergeben sich vergleichsweise niedrige Sintertemperaturen. Das metallische Ausgangsmaterial, vorzugsweise Edelstahl, weist eine gewisse Duktilität auf, so dass sich eine vergleichsweise einfache Fertigung des Sinterformkörpers ergibt. Der solcherart ausgebildete Sinterformkörper lässt sich zudem einfacher bearbeiten als Sinterformkörper aus keramischem Material.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Sintermaterial eine im Bereich von 1% bis 30%, insbesondere im Bereich von 2% bis 5% liegende Porosität auf. Dadurch werden vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich der Adsorption von Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf erreicht.
• Daraus resultieren wiederum niedrige Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Kaltstart bzw. Warmlauf.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Sinterformkörper eine katalytisch wirksame Beschichtung auf. Verwendet werden kann jede übliche Katalysatorbeschichtung. Vorzugsweise weist die Beschichtung eine oxidationskatalytische Wirkung auf. Ist ein Abgassammler als Leitungsabschnitt solcherart ausgebildet, kann auf einen gesonderten Oxidationskatalysator verzichtet werden oder dieser zumindest kleiner ausgeführt werden.
• Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass das zugehörige Abgassystem stromauf des Abgaskatalysators einen Leitungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, insbesondere einen Leitungsabschnitt mit einem an der Innenwand des Leitungsabschnitts wenigstens teilweise anliegenden, frei durchströmbaren, porösen Sinterformkörper, umfasst. Der Sinterformkörper ist vorzugsweise überwiegend aus einem offenporigen und/oder geschlossenporigen Material gefertigt. Durch diese Struktur verfügt der Leitungsabschnitt über adsorptive Eigenschaften und es können bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine leicht kondensierbare Abgasbestandteile vom Sinterformkörper eine gewisse Zeitlang zurückgehalten werden. Vorzugsweise wird der Sinterformkörper beispielsweise hinsichtlich seiner Materialstärke so ausgelegt, dass kondensierbare Kohlenwasserstoffe oder Wasserdampf im Abgas solange zurückgehalten werden, bis der weiter stromab liegende Abgaskatalysator erwärmt und wirksam geworden ist. Die danach vom Sinterformkörper desorbierenden schädlichen Abgasbestandteile können dann vom Katalysator effektiv konvertiert werden. Damit wird eine verminderter Schadstoffausstoss, insbesondere bei einem Kaltstart und bei einem Warmlauf der Brennkraftmaschine erreicht.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und zugehörigen Beispielen näher erläutert. Dabei zeigen:
• 1 einen Abgassammler einer Brennkraftmaschine,
• 2 einen Querschnitt durch einen Anschluss des Abgassammlers und
• 3 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt aus dem Randbereich des im Schnitt dargestellten Abgassammlers.
• In 1 ist ein Abgassammler 1 für eine dreizylindrige Zylinderbank einer als V-Motor ausgeführten Brennkraftmaschine dargestellt. Das aus den drei Zylindern der Zylinderbank austretende Abgas wird über drei Zweige des Abgassammlers in einem gemeinsamen Leitungsanschluss zur Weiterleitung in das Abgassystem zusammengeführt. Eine Schnittlinie durch den Leitungsanschluss ist mit II – II bezeichnet und die entsprechende Querschnittsansicht in 2 (s.u.) dargestellt. Der Abgassammler 1 ist hier aus zwei Halbschalen gefertigt, was in Fig. nicht dargestellt ist. In die Halbschalen des Abgassammlers 1 ist jeweils ein vorgefertigter, hier nicht gesondert dargestellter Sinterformkörper eingelegt. Dieser weist etwa die Konturen der zugehörigen Halbschale auf und liegt daher zumindest überwiegend an der Innenwand des Abgassammlers an. Zur besseren Fixierung kann der Sinterformkörper in die Halbschale beispielsweise mit einem temperaturbeständigen Keramikkleber eingeklebt werden. Der Sinterformkörper weist durchgängig eine Materialstärke von etwa 15 mm auf. Nach dem Einlegen der Sinterformkörper werden die Halbschalen des Abgassammlers 1 zusammengefügt und die Nahtstellen verschweißt. Der Abgassammler ist somit mit einer Auskleidung versehen, welche einen frei durchströmbaren Hohlkörper ausbildet, der den größten Teil der Querschnittsfläche freilässt.
• In 2 ist eine schematische Querschnittsansicht des in einem Anschluss für eine Abgasleitung endenden Teils des Abgassammlers entsprechend der in 1 eingezeichneten Schnittlinie II – II gezeigt. Der eingelegte Sinterformkörper 2, bzw. die eingelegten Teile des Sinterformkörpers 2 liegen an der Innenwand des Abgassammleranschlusses an und bedecken die Innenwandoberfläche des Abgassammlers 1 vollständig oder zumindest annähernd vollständig. Die Fügestelle der Halbschalen des Abgassammlers 1 und der eingelegten Sinterformkörper 2 sind hierbei nicht dargestellt. Mit III ist ein Ausschnitt des Randbereichs des Anschlusses des Abgassammlers 1 bezeichnet.
• In 3 ist ein Ausschnitt entsprechend dem in 2 mit III bezeichneten Randbereich des in 2 im Schnitt dargestellten Anschlusses des Abgassammlers 1 vergrößert und vereinfacht dargestellt. Wie aus der schematischen Darstellung hervorgeht, ist der Sinterformkörper 2 aus miteinander versinterten Hohlkugeln gebildet. Die Hohlkugeln besitzen einen Außendurchmesser von etwa 1,5 mm und sind aus Edelstahl gefertigt. Die Wandstärke der Hohlkugeln beträgt etwa 0,02 mm, woraus sich eine Strukturdichte des Sinterformkörpers 2 von etwa 0,5 g/cm³ ergibt. Dadurch weist der Sinterformkörper 2 eine geringe Masse auf. Zwischen den miteinander versinterten Hohlkugeln ergeben sich Hohlräume, so dass eine poröse Struktur gebildet ist. Bei starker Versinterung bestehen zwischen den Hohlräumen der Kugeln kaum Verbindungen, so dass sich eine überwiegend geschlossenporige Struktur ergibt. Vorzugsweise sind die Kugeln jedoch weniger stark versintert, so dass durch die Kugeln eine offenporige Struktur gebildet ist. Da der hier verwendete Edelstahl selbst eine gewisse Porosität besitzt, wird durch die Hohlräume im Innern der Kugeln dennoch zusätzlich eine geschlossenporige Struktur gebildet. Der Sinterformkörper 2 weist daher eine bimodale Porenstruktur mit einer Porosität im Bereich von 1% bis 30% auf.
• Auf Grund seiner Struktur weist der Sinterformkörper eine schalldämmende Wirkung sowie eine, wegen seiner vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeit, wärmeisolierende Wirkung auf.
• Im Einzelnen ergeben sich aus der Sinterformkörpereinlage in dem Abgassammler 1 aus den physikalischen Eigenschaften des Sinterformkörpers 2 folgende Vorteile. Bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine werden Wasser und unverbrannte Kohlenwasserstoffe vom bzw. im Sinterformkörper 2 adsorbiert. Folglich ist die Kohlenwasserstoffemission in der Kaltstartund Warmlaufphase der Brennkraftmaschine gering. Mit fortschreitendem Warmlauf der Brennkraftmaschine erwärmt sich auch der stromab des Abgassammlers 1 in der Abgasleitung angeordnete Katalysator (nicht dargestellt). Dies wird dadurch beschleunigt, dass während des Kaltstarts im Abgas enthaltenes Wasser zumindest teilweise vom Sinterformkörper 2 adsorbiert wird und daher nicht mehr vom Katalysator aufgenommen wird. Folglich wird die Erwärmung des Katalysators nicht durch Verdampfung von dort adsorbiertem Wasser verzögert. Da außerdem keine oder nur sehr geringe Kohlenwasserstoffmengen während der Kaltstartphase zum Katalysator gelangen, werden die katalytisch aktiven Zentren des Katalysators nicht durch Kohlenwasserstoffbelegungen deaktiviert. Folglich erreicht der Katalysator in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine seine Anspringtemperatur früher und steht somit früher zur Abgasreinigung zur Verfügung. Die Wirksamkeit der katalytischen Abgasreinigung kann noch gesteigert werden, wenn der Sinterformkörper 2 selbst mit einem katalytisch wirksamen Material beschichtet wird.
• Mit fortschreitender Erwärmung werden vom Sinterformkörper 2 adsorbiertes Wasser und adsorbierte Kohlenwasserstoffe wieder freigesetzt. Da nun jedoch der stromab angeordnete Katalysator aktiv ist, können die freigesetzten Kohlenwasserstoffe im Katalysator umgesetzt werden. Die vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit des Sinterformkörpers 2 verhindert außerdem, dass die in das Abgas eingebrachte Wärmeenergie zu stark zur Aufwärmung der abgasführenden Leitungen aufgezehrt wird. Die Erwärmung des Abgasleitungssystems stromauf des Katalysator und damit die Erwärmung des Katalysators wird daher durch den Sinterformkörper 2 gefördert.
• Auf Grund der Adsorptionsfähigkeit des Sinterformkörpers für Wasser wird verhindert, dass stromab des Abgassammlers 1 Wasser auskondensieren kann. Treffen auskondensierte Wassertröpfchen auf einen beheizten Abgassensor, so kann dies zu Schädigungen durch sog. Wasserschlag führen. Ein eingangsseitig des brennkraftmaschinennahen Katalysators angebrachter Abgassensor kann folglich sehr früh beheizt werden, ohne durch Wasserschlag beschädigt zu werden. Der Abgassensor steht daher frühzeitig beispielsweise zur Gemischregelung der Brennkraftmaschine zur Verfügung. Durch Einsatz des erfindungsgemäß gestalteten Abgassammlers wird daher auch auf diese Weise eine verbesserte Kaltstart- bzw. Warmlaufemission der Brennkraftmaschine erzielt.
• Es versteht sich, dass die Anordnung der erfindungsgemäßen porösen Einlage nicht auf einen Abgassammler beschränkt ist, sondern darüber hinaus auch in einem anderen gasführenden Leitungsabschnitt einer Brennkraftmaschine angeordnet sein kann. Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße poröse Einlage jedoch im Abgassystem einer Brennkraftmaschine eingesetzt.

Claims (11)

1. Gasführender Leitungsabschnitt (1), insbesondere Abgassammler für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet , dass der Leitungsabschnitt (1) eine an seiner Innenwand wenigstens teilweise anliegende poröse Einlage (2) aufweist, die einen frei durchströmbaren Hohlkörper bildet.
2. Leitungsabschnitt (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (2) aus einem hochtemperaturbeständigen Sinterformkörper gebildet wird.
3. Leitungsabschnitt (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterformkörper überwiegend aus faserförmigem Sintermaterialteilchen gebildet ist.
4. Leitungsabschnitt (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterformkörper überwiegend aus Sintermaterialteilchen mit annähernd Kugelform gebildet ist.
5. Leitungsabschnitt (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterformkörper überwiegend aus hohlkugelartigen Sintermaterialteilchen gebildet ist.
6. Leitungsabschnitt (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermaterialteichen einen im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm, insbesondere im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm liegenden Außendurchmesser aufweisen.
7. Leitungsabschnitt (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermaterialteilchen eine im Bereich von 1% bis 20%, insbesondere im Bereich von 2% bis 5% des Außendurchmessers liegende Wandstärke aufweisen.
8. Leitungsabschnitt (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermaterial überwiegend metallisch ist.
9. Leitungsabschnitt (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermaterial eine im Bereich von 1% bis 30%, insbesondere im Bereich von 2% bis 5% liegende Porosität aufweist.
10. Leitungsabschnitt (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterformkörper eine katalytisch wirksame Beschichtung aufweist.
11. Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem, in welchem ein Abgaskatalysator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem stromauf des Abgaskatalysators einen Leitungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, insbesondere einen Leitungsabschnitt mit einem an der Innenwand des Leitungsabschnitts wenigstens teilweise anliegenden, frei durchströmbaren, porösen Sinterformkörper, umfasst.