DE10328991A1 - Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Bei einer Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, mit einer insbesondere katalytischen Abgasreinigungseinrichtung sowie zumindest einem abgasführenden Vorrohr (2) zwischen Brennkraftmaschine und Abgasreinigungseinrichtung und einem das Vorrohr umschließenden und gemeinsam mit diesem einen durchsatzgesteuerten Luftkanal (7) begrenzenden Hüllrohr (6) werden erfindungsgemäß auf baulich einfache und energiesparende Weise sowohl eine Verkürzung der Warmlaufzeit als auch ein wirksamer Überhitzungsschutz der Abgasreinigung dadurch erreicht, dass das Vorrohr (2) auf der Außenseite mit sich rdial in den Luftkanal (7) erstreckenden Längsrippen (12) versehen und das Hüllrohr (6) auf der Innenseite wärmeisoliert (Isolationsschicht 13) ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Abgasanlagen für Brennkraftmaschinen mit einer insbesondere katalytischen Abgasreinigungseinrichtung, wie sie etwa aus der DE-22 22 498 B1 oder der DE-41 27 634 C2 bekannt sind, benötigen zur erfolgreichen Konvertierung schädlicher Abgasbestandteile eine bestimmte, auch als Anspringtemperatur bezeichnete Minimaltemperatur. Andererseits darf auch die Maximaltemperatur der Abgasreinigung gewisse Grenzwerte nicht überschreiten, um eine thermische Zerstörung der Abgasreinigungseinrichtung zu verhindern. Bei den bekannten Abgasanlagen dieser Art ist daher das Vorrohr von einem Hüllrohr umschlossen und der Ringraum zwischen Vor- und Hüllrohr als temperaturgesteuerter Kühlluftkanal ausgebildet, welcher bis zum Erreichen der Anspringtemperatur geschlossen ist, so dass die darin stehende Luftsäule als Wärmeisolationsschicht wirkt und die Abgasreinigungseinrichtung z.B. nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine durch die heißen Abgase möglichst rasch auf die Minimaltemperatur aufgeheizt wird. Bei einem Dauerbetrieb der Brennkraftmaschine und insbesondere in Betriebspunkten hoher Leistungsabgabe wird der Luftkanal hingegen zwangsdurchströmt, um die Abgase abzukühlen und dadurch eine Überhitzung der Abgasreinigungseinrichtung zu vermeiden, wobei die Luftströmung im Luftkanal durch den Fahrtwind oder ein Gebläse oder einen Saugstrahleffekt abströmseitig der Abgasreinigungseinrichtung erzeugt und mit Hilfe einer die Eintrittsöffnung des Luftkanals verschließenden bzw. freigebenden Stellklappe temperaturabhängig gesteuert wird. Um die Warmlaufphase der Abgasreinigung weiter zu verkürzen und den Katalysator auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen (im Volllastbereich der Brennkraftmaschine) ausreichend gegen eine Überhitzung zu schützen, ist es ferner bekannt, in diesen Betriebsphasen in das Motormanagement im Sinne eines späteren Zündzeitpunkts bzw. einer Reduzierung der Luftzahl einzugreifen, mit der Folge eines dann aber überhöhten Kraftstoffverbrauchs und damit im Widerspruch zu den heutigen Forderungen nach einer strikten Verbrauchsbegrenzung von Kraftfahrzeugmotoren.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgasanlage der eingangs genannten Art so auszubilden, dass auf baulich einfache, energiesparende Weise sowohl die Warmlaufphase bis zum Erreichen der Anspringtemperatur verkürzt als auch eine Überhitzung der Abgasreinigung unter ungünstigen Betriebsbedingungen wirksam unterbunden wird.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abgasanlage mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Bei der erfindungsgemäßen Abgasanlage ergibt sich durch die Anordnung der sich in den Luftkanal erstreckenden Längsrippen auf dem Vorrohr zum einen eine derart signifikante Vergrößerung der Kühlflächen, dass die Abgasreinigungseinrichtung selbst im hohen Last- und Geschwindigkeitsbereich allein durch die Luftströmung im Luftkanal auf der zulässigen Betriebstemperatur gehalten werden kann, ohne dass hierzu zusätzliche, energieverbrauchende Kühlmaßnahmen, etwa eine Verringerung der Luftzahl im Motormanagement, ergriffen werden müssen, zum anderen aber auch eine deutliche Verkürzung der Warmlaufphase, da das sich frei durch das Hüllrohr erstreckende und pulsierend von der Abgasströmung belastete Vorrohr durch die Längsrippen so weit mechanisch versteift wird, dass die Wandstärke und damit die thermisch träge Masse des Vorrohrs, welche durch die Abgase bis zum Erreichen der Anspringtemperatur aufgeheizt werden muss, merklich reduziert wird. Durch diese Doppelfunktion der Längsrippen werden die einander widersprechenden Forderungen, nämlich kurze Aufheizzeit einerseits und wirksame Abgaskühlung der Abgasreinigung andererseits, auf konstruktiv einfache und energiesparende Weise erfüllt.
• In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist das Hüllrohr auf der Innenseite mit einer thermischen Isolationsschicht versehen, wobei zwischen den Längsrippen und der Isolationsschicht enge Luftspalte freigehalten werden. Durch eine derartige Isolationsschicht wird die Warmlaufzeit weiter verkürzt und der Fortfall des Hüllrohrs als Kühlfläche in der Kühlphase dadurch kompensiert, dass die dann erzwungene Luftströmung im Luftkanal schon bei vergleichsweise geringen Luftgeschwindigkeiten turbulent wird und folglich die Wärmeübergangszahl an den Vorrohr-Kühlflächen deutlich ansteigt. Vor allem aber wird durch die Isolationsschicht die Wärmebelastung des Hüllrohrs sowie weiterer, nahe der Abgasanlage angeordneter Fahrzeugkomponenten merklich reduziert, so dass sich für das Hüllrohr weniger hitzebeständige Werkstoffe, etwa Aluminium oder gar faserverstärkte Kunststoffe, verwenden lassen und besondere Hitzeschutzschilde für vorrohrnahe, thermisch empfindliche Fahrzeugkomponenten in Fortfall geraten können. Zweckmäßigerweise ist die Wärmisolation zugleich schallabsorbierend ausgebildet, wodurch sich auch die Schallemissionswerte der Abgasanlage, an denen das der pulsierenden Abgasströmung ausgesetzte Vorrohr einen wesentlichen Anteil hat, ganz erheblich vermindern lassen.
• Aus Gründen einer baulichen Vereinfachung sind die Längsrippen vorzugsweise als im Querschnitt strahlenförmig über den Außenumfang des Vorrohrs ver teilte Blechlamellen ausgebildet und verlaufen außerdem schraubenlinienförmig auf der Vorrohr-Außenseite, so dass der Strömungsweg der Luftströmung im Luftkanal verlängert und somit der Kühleffekt der Längsrippen nochmals verbessert wird.
• Bei Abgasanlagen mit mehreren, voneinander getrennten Abgasströmen können die mit Längsrippen versehenen Vorrohre aus Gründen einer weiteren baulichen Vereinfachung in einem gemeinsamen Hüllrohr untergebracht sein, und eine besonders günstige Steuerung des Luftkanaldurchsatzes wird fahrgeschwindigkeitsabhängig durch eine staudruckbetätigte Verschlussklappe am Luftkanaleinlass erreicht.
• Die Erfindung wird nunmehr anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:
• 1 eine Prinzipskizze einer Abgasanlage nach der Erfindung;
• 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der 1; und
• 3 eine der 2 entsprechenden Darstellung einer modifizierten Ausführungsform mit mehreren getrennten Vorrohren.
• Die in den Fig. dargestellte, insgesamt mit 1 bezeichnete Abgasanlage besteht aus einem Vorrohr 2, welches die Abgase aus den Einzelabgasrohren 3a ... 3d einer z.B. vierzylindrischen Brennkraftmaschine 4 zu einer katalytischen Abgasreinigungseinrichtung 5 leitet, von wo der Abgasstrom in die Umgebung gelangt. Das Vorrohr 2 und die Abgasrohre 3a ... 3d sind zumindest bereichs weise von einem Hüllrohr 6 umschlossen, welches gemeinsam mit den abgasführenden Rohren 2, 3 einen Luftkanal 7 begrenzt, dessen in Fahrtrichtung weisende Einlassöffnung 8 am Gebläseflansch 9 des Motorkühlers 10 angeordnet und in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit durch eine staudruckbetätigte Verschlussklappe 11 aufsteuerbar ist. Der das Hüllrohr 6 in der Öffnungslage der Verschlussklappe 11 durchsetzende Luftstrom gelangt am katalysatorseitigen Hüllrohrende in die Umgebung.
• Wie 2 zeigt, ist das Vorrohr 2 auf seiner Außenseite mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung gleichförmig verteilten, lamellenförmigen Längsrippen 12 belegt, die sich radial in Richtung des Hüllrohrs 6 durch den Luftkanal 7 erstrecken. Außerdem ist das Hüllrohr 6 auf seiner Innenseite mit einer Wärmeisolationsschicht 13 versehen, die unter Freihaltung des Luftkanals 7 in die Zwischenräume zwischen den Längsrippen 12 eingreift und zu den radial äußeren Rändern der Längsrippen 12 jeweils einen engen Luftspalt 14 freilässt. Die Längsrippen 12 verlaufen schraubenlinienförmig auf der Vorrohr-Außenseite, um so den Strömungsweg des den Luftkanal 7 durchsetzenden Luftstroms zu verlängern. Anstatt durch Blechlamellen können die Längsrippen 12 auch durch eine sternförmig gezackte oder wellenförmige Querschnittskontur des Vorrohrs 2 gebildet und ferner kann das Hüllrohr 6, etwa durch eine entsprechende Ausbildung der Isolationsschicht 13, nicht nur wärmeisoliert, sondern auch schallabsorbierend gestaltet sein. Wie 3 zeigt, besteht auch die Möglichkeit, mehrere Abgasrohre 2 (bzw. 3) in einem gemeinsamen Hüllrohr 6 anzuordnen.
• Die beschriebene Abgasanlage 1 arbeitet wie folgt: Solange die Verschlussklappe 11 durch den einwirkenden Staudruck nicht geöffnet wird, bildet sich im Luftkanal 7 eine stehende Luftsäule. Dabei wird in der Warmlaufphase, also nach einem Kaltstart bis zum Erreichen der Anspringtemperatur des Katalysa tors 5, die Brennkraftmaschine 4 zusätzlich mit einer Luftzahl nahe 1 betrieben, um die Abgastemperatur möglichst hoch zu halten. Diese Warmlaufphase wird aus Gründen einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs zum einen durch die Wärmeisolierung 13 des Hüllrohrs 6 und zum anderen dadurch möglichst kurz gehalten, dass die Längsrippen 12 aufgrund ihrer mechanischen Versteifungswirkung eine Wandstärkenverringerung des sich frei durch das Hüllrohr 6 erstreckenden und mit dem pulsierenden Abgasstrom dynamisch belasteten Vorrohrs 2 und damit eine Reduzierung der thermisch trägen Masse ermöglichen, welche bis zum Erreichen der Anspringtemperatur von den Abgasen aufgeheizt werden muss.
• Anschließend arbeiten die Brennkraftmaschine 4 und die Abgasanlage 1 im sogenannten Schichtbetrieb, in welchem die Luftzahl auf ein Mehrfaches angehoben wird, wobei mit zunehmender Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine 4 die Abgastemperatur ansteigt, bis im Bereich hoher Leistungsabgabe und entsprechend erhöhter Fahrgeschwindigkeit die Verschlussklappe 11 unter der Staudruckwirkung geöffnet und im Luftkanal 7 ein erzwungener Kühlluftstrom erzeugt wird. Dabei sorgen die Kühlflächenvergrößerung durch die Längsrippen 12, die Verlängerung der Strömungswege durch den schraubenlinienförmigen Rippenverlauf und das rasche Umschlagen in eine turbulente Luftströmung aufgrund der örtlichen Luftspaltverengungen 14 zwischen Längsrippen 12 und Isolationsschicht 13 für eine äußerst effektive Abgaskühlung, die bis in den Volllast- und hohen Fahrgeschwindigkeitsbereich ausreicht, die Abgasreinigung wirksam gegen eine Überhitzung zu schützen, so dass auf die hierfür übliche und mit einem erhöhten Kraftstoffverbrauch verbundene Maßnahme einer Reduzierung der Luftzahl auf Werte deutlich unter 1 wesentlich später und kürzer zurückgegriffen werden kann. Ein weiterer Vorteil der Isolationsschicht 13 besteht darin, dass das Hüllrohr 6 in Leichtbauweise aus weniger hitzebeständigen Werkstoffen, etwa Aluminium oder gar Faserverbundwerk stoff, gefertigt und auf eigene Hitzeschilde für temperaturempfindliche Fahrzeugkomponenten, die aus Platzgründen in der Nähe der Abgasanlage 1 untergebracht werden müssen, verzichtet werden kann. Weiterhin lässt sich die Schallemission der Abgasanlage 1, die ihre Hauptursache in der pulsierenden Abgasströmung hat, durch eine schallabsorbierende Gestaltung des Hüllrohrs 6 bzw. der Isolationsschicht 13 signifikant verringern.

Claims (8)

1. Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, mit einer insbesondere katalytischen Abgasreinigungseinrichtung sowie zumindest einem abgasführenden Vorrohr zwischen Brennkraftmaschine und Abgasreinigungseinrichtung und einem das Vorrohr umschließenden und gemeinsam mit diesem einen durchsatzgesteuerten Luftkanal begrenzenden Hüllrohr, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorrohr (2) auf der Außenseite mit sich radial in den Luftkanal (7) erstreckenden Längsrippen (12) versehen ist.
2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (6) auf der Innenseite wärmeisoliert ist.
3. Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolation (13) zusätzlich schallabsorbierend ausgebildet ist.
4. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den radial äußeren Randbereichen der Längsrippen (12) und dem Hüllrohr (6) bzw. der Isolationsschicht (13) enge Luftspalte (14) freigehalten sind.
5. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrippen (12) als im Querschnitt strahlenförmig über den Außenumfang des Vorrohrs (2) verteilte Blechlamellen ausgebildet sind.
6. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrippen (12) auf der Vorrohr-Außenseite schraubenlinienförmig verlaufen.
7. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein gemeinsames Hüllrohr (6) für mehrere, mit Längsrippen (12) versehene Vorrohre (2) (3).
8. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des Luftkanaldurchsatzes eine staudruckbetätigte Verschlussklappe (11) vorgesehen ist.