DE19813590A1 - Abgasbauteil für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Bei einem Abgasbauteil (5) für Brennkraftmaschinen, das ein doppelwandiges Gehäuse (6) aufweist, ist vorgesehen, den Luftraum (13) zwischen innerem und äußerem Mantel (5a, 5b) gasdicht abzuschließen und mit einem Inertgas zu füllen. Dadurch wird das Anlaufen der Oberflächen (30, 31) verhindert und damit die Isolierungswirkung des Abgasbauteils (5) verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasbauteil für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Brennkraftmaschinen dient die Abgasanlage, die verschiedene Abgas­ bauteile umfaßt, zum Abtransport der bei der Verbrennung entstehenden heißen Abgase. Die wesentlichen Abgasbauteile bei Kraftfahrzeugen sind Abgaskrümmer, Vorrohr, Abgaskatalysator, und Auspuffanlage.

Der Abgaskatalysator dient zur Reduzierung der bei Verbrennung anfallen­ den Schadstoffe. Eine effektive Reduzierung der Schadstoffe findet aber erst ab einer gewissen Mindesttemperatur des Katalysators statt. Um ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur nach einem Motorstart zu ge­ währleisten, sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Eine Möglichkeit besteht darin, einen zusätzlich motornahen Vorkatalysator ein­ zusetzen. Aufgrund der kurzen Wegstrecke zwischen Motor und Vorkataly­ sator kühlen die Abgase nur wenig ab und heizen deshalb den Vorkatalysa­ tor schneller auf.

Eine weitere Möglichkeit für eine schnelle Katalysatoraufheizung besteht darin, alle oder einige Abgasbauteile, die zwischen Motor und Katalysator liegen, entsprechend zu isolieren, um so eine Abkühlung der Abgase auf dem Weg zum Katalysator zu verhindern.

Außerdem kann der Katalysator selbst mit einer Isolierung versehen sein. Dadurch wird ebenfalls die Wärmeabgabe in den Außenraum verhindert und sein schnelles Aufheizen begünstigt.

Solche Isolierungen senken zusätzlich die Temperatur der Oberflächen der Abgasbauteile. Dadurch werden die an die Abgasbauteile angrenzenden Kraftfahrzeugteile weniger stark thermisch belastet. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn Kunststoffteile nahe der Abgasbauteile ange­ ordnet sind.

Eine derartige Isolierungsmaßnahme ist unter dem Begriff "Luftspaltisolierung" bekannt und für eine Abgasleitung in der DE 42 02 079 A1 beschrieben. Hierbei ist eine innere Abgasleitung von einer äußeren Ab­ gasleitung umgeben, wobei ein dazwischen liegender luftgefüllter Spalt als Isolierung dient.

Solche luftspaltisolierten Abgasbauteile, die normalerweise aus Metall her­ gestellt sind, besitzen folgende Nachteile.

Allgemein reagieren Metalloberflächen bei höheren Temperaturen (ab ca. 600°C) mit dem in der Luft vorhandenen Sauerstoff. Diese Reaktion wird auch als Anlaufen bezeichnet. Der Infrarot-Emissionsgrad ε einer angelaufenen Metalloberfläche liegt erheblich höher als der einer entsprechenden polierten metallisch glänzenden Oberfläche. Bei gleicher Temperatur strahlt die Oberfläche mit dem größeren Infrarot-Emissionsgrad ε bekanntermaßen mehr Wärme ab. Für die Absorption von Wärmestrahlung gilt entsprechendes.

Ein herkömmliches luftspaltisoliertes Abgasbauteil weist im wesentlichen vier Oberflächen auf, die alle mit Sauerstoff in Berührung kommen und des­ halb "anlaufen" können.

Die Erhöhung des Infrarot-Emissionsgrads ε führt nachteilig zu einer verstärkten Wärmeabstrahlung der Metalloberfläche und damit zu einem vermehrten Wärmeabtransport in Richtung Außenraum. Da der Wärmetransport zwischen den den Luftspalt begrenzenden Oberflächen bei normalen Betriebstemperaturen hauptsächlich über Wärmestrahlung erfolgt, ist dieser Effekt insbesondere bei luftspaltisolierten Abgasbauteilen sehr ausgeprägt und die Isolierwirkung des Luftspalts nimmt ab. Aufgrund des größeren Wärmeabtransports kühlen die heißen Abgase stärker ab.

Gleichzeitig wird auch die Oberfläche des Abgasbauteils heißer.

Im Temperaturbereich von 800 bis 900°C, der normalen Betriebstemperatur von Abgasbauteilen, ist bereits ein deutliches Anlaufen der Metalloberflä­ chen zu verzeichnen und die Änderung des Infrarot-Emissionsgrads ε u. U. erheblich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein luftspaltisoliertes Abgasbau­ teil zu schaffen, das eine verbesserte Isolationswirkung aufweist und gleich­ zeitig kostengünstig und einfach herstellbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, den Luftspalt eines luftspaltisolierten Abgasbauteils luftdicht abzuschließen und mit einem Inert­ gas zu füllen. Das Inertgas verhindert eine Reaktion mit Sauerstoff und da­ mit ein Anlaufen der an den Luftspalt angrenzenden Metalloberflächen. Da­ durch tragen diese nicht angelaufenen Oberflächen weniger zum Wärme­ transport in den Außenraum bei. Die Oberfläche des Abgasbauteils wird ei­ nerseits weniger heiß. Gleichzeitig kühlen die Abgase beim Durchgang durch dieses Abgasbauteil weniger ab. Sind solche Abgasbauteile vor dem Katalysator angeordnet, so erreichen die Abgase diesen mit einer höheren Temperatur. Dies fördert insbesondere nach einem Motorkaltstart das schnelle Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators.

In gleicher Weise kann der Abgaskatalysator selbst mit einer solchen erfin­ dungsgemäßen Luftspaltisolierung versehen sein. Durch diese Maßnahme wird ebenfalls ein schnelleres Erreichen der Betriebstemperatur des Kataly­ sators erzielt.

Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angege­ ben.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung eines Abgasanlage mit einem erfindungs­ gemäßen Abgasbauteil

Fig. 2 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgaskataly­ sators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel

Fig. 3 schematische Darstellung eines Abgaskatalysators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Motor 1, der mit einer Ab­ gasanlage 3 verbunden ist, dargestellt. Die Abgasanlage 3 besteht im wesentlichen aus folgenden Abgasbauteilen: einem Abgaskrümmer 4, einem Vorrohr 5, einem Katalysator 7 und einer nicht näher dargestellten Auspuffanlage 8. Das Vorrohr 5 weist ein doppelwandiges Gehäuse 6 auf mit einen inneren Mantel 5a und einem äußeren Mantel 5b. Der äußere Mantel 5b ist an seinen Enden jeweils über Mantelabschnitte 15, 16 mit dem inneren Mantel 5a verbunden. Der äußere Mantel 5b und der innere Mantel 5a schließen einen gasdichten Luftraum 13 ab, der von den Oberflächen 30 bzw. 31 begrenzt wird. Die Fließrichtung der Abgase ist durch einen Pfeil markiert. Die Abgase kommen mit der inneren Oberfläche 32 des inneren Mantels 5a, die Atmosphärengase mit der äußeren Oberfläche 33 des äußeren Mantels 5b in Berührung. Ein Anlaufen dieser Oberflächen 32 und 33 läßt sich nicht verhindern.

In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Katalysator 7 schematisch dargestellt. Das Gehäuse 25 des Katalysators 7 ist ebenfalls doppelwandig ausgeführt, mit einem inneren Mantel 25a und einem äußeren Mantel 25b, die einen gasdichten Luftraum 23 abschließen. Der Luftraum 23 wird von den Oberflächen 40 und 41 begrenzt. Der äußere Mantel 25b weist an seinen Enden jeweils Membranverbindungen 27a, 27b zur Verbindung mit dem inneren Mantel 25a auf. Die Membranverbindung 27a, 27b dienen zum besseren Ausgleich von Wärmeausdehnungen. Im abgeschlossenen Luft­ raum 23 entsteht durch die Erwärmung auf über 600 C ein erheblicher Über­ druck.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Katalysators 7. Hierbei weist der äußere Mantel 25b an seinen Enden Mantelabschnitte 29a, 29b zur Ver­ bindung mit dem inneren Mantel 25a. Der Luftraum 23 wird von den Oberflä­ chen 40a bzw. 41a begrenzt.

Zur Vermeidung des störenden Überdrucks im Luftraum 13 bzw. 23 ist alter­ nativ vorgesehen, den Druck des Inertgases bei Raumtemperatur auf unter 1 bar vorteilhaft auf ca. 300 mbar einzustellen.

Nachfolgend ist die Funktionsweise der Erfindung näher erläutert.

In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 bis Fig. 3 ist der Luftraum 13 bzw. 23 erfindungsgemäß gasdicht abgeschlossen und mit einem Inertgas gefüllt.

Bei dem Inertgas kann es sich um ein Edelgas oder um kostengünstigeren Stickstoff handeln. Die an den Luftraum 13 bzw. 23 angrenzenden Oberflä­ chen 30, 31 bzw. 40, 41, bzw. 40a, 41a kommen somit nicht mit Sauerstoff in Berührung. Dadurch wird ein Anlaufen dieser Oberflächen beim Betrieb der Brennkraftmaschine verhindert.

Als Folge davon ändert sich ihr Wärmekoefflzient ε auch bei längerem Be­ trieb der Brennkraftmaschine nicht. Diese Oberflächen 30, 31; 40, 41; bzw. 40a, 41a sind poliert und behalten ihren geringen Infrarot-Emissionsgrad (< 0.1) bei. Aufgrund des geringen Infrarot-Emissionsgrads ε strahlen die Oberflächen 30, 40 bzw. 40a weniger Wärmestrahlung in Richtung der Oberflächen 31, 41 bzw. 41a ab. Da der Wärmekoeffizient ε dieser Oberflächen 31, 41 bzw. 41a ebenfalls klein bleibt, absorbieren diese Oberflächen weniger von den Oberflächen 30, 40 bzw. 40a abgestrahlte Wärmestrahlung und nehmen dadurch weniger Energie auf. Somit erwärmt sich der äußere Mantel 5b bzw. 25b erheblich weniger. Dadurch wird aber gleichzeitig das Anlaufen der Außenseite des äußeren Abgasrohrs 15 bzw. der Abschirmung 25 verringert und damit ebenfalls deren Wärmeabstrahlung in den Außenraum reduziert. Bei Abgasbauteilen durch die das Abgas relativ schnell strömt (z. B. Krümmer und Vorrohr) wird dadurch eine verminderte Abkühlung der heißen Abgase erreicht. Bei einem Katalysator wird durch die verbesserte Isolierung erreicht, daß das eigentliche Katalysatorelement weniger Wärme abgibt.

Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Isolierung bei Abgasbauteilen, die vor dem Katalysator 7 angeordnet sind, bzw. dem Katalysator 7 selbst wird somit ein schnelles Aufwärmen des Katalysators 7 nach einem Motorstart erreicht und gleichzeitig die Oberflächentemperatur der Abgasbauteile insgesamt verringert.

Claims (9)

1. Abgasbauteil für Brennkraftmaschinen insbesondere in Kfz, mit einem doppelwandigen Gehäuse, das einen inneren und äußeren Mantel auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftraum (13, 23) zwischen in­ nerem und äußerem Mantel (5a, 5b) bzw. (25a, 25b) gasdicht abge­ schlossen ist und mit einem Inertgas gefüllt ist.

2. Abgasbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Inert­ gas ein Edelgas ist.

3. Abgasbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Inert­ gas Stickstoff ist.

4. Abgasbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Inertgas bei Raumtemperatur Unterdruck auf­ weist.

5. Abgasbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Un­ terdruck ca. 300 Millibar beträgt.

6. Abgasbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Abgasbauteil ein Katalysator (7) ist.

7. Abgasbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Abgasbauteil ein Vorrohr (5) ist.

8. Abgasbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Abgasbauteil ein Krümmer ist.

9. Abgasanlage mit mindestens einem Abgasbauteil gemäß den Ansprüchen 1 bis 9.