DE19923736C1 - Abgasführung für in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, als Antriebsquelle eingesetzte Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Für eine Abgasführung von in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, als Antriebsquelle eingesetzten Brennkraftmaschinen wird vorgeschlagen, zur Vermeidung von Riesel- und Prasselgeräuschen insbesondere in der Kaltstartphase zwischen der Austrittsseite der Brennkraftmaschine und dem Katalysator zumindest einen trichterförmigen, gelochten Einsatz anzuordnen, wobei der Aufnahmebereich für den Einsatz im Querschnittsbereich um ein Maß aufgeweitet ist, das dem durch den Einsatz bedingten Verlust an freier Querschnittsfläche etwa entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasführung für in Kraftfahrzeu­ gen, insbesondere Personenkraftwagen, als Antriebsquelle einge­ setzte Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Kraftfahrzeuge mit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine als An­ triebsquelle und einer zugehörigen Abgasführung sind aus der Praxis in vielfältiger Form bekannt und beispielsweise in: DE- Buch von Hermann Ermer, "Abgasschalldämpfer für Kraftfahrzeu­ ge", Verlag Moderne Industrie, 1993, ISBN 3-478-93076-6 auf Seiten 30 und 31 in der Ausgestaltung als ein- oder zweiflutige Abgasanlage dargestellt. Die Abgasführung erfolgt dabei ausge­ hend vom Zylinderkopf der Brennkraftmaschine über einen Aus­ lasskrümmer und eine Abgasleitung, in der beabstandet zum Aus­ lasskrümmer ein Katalysator angeordnet ist und in der stromab des Katalysators nahe dem Austrittsende der Abgasanlage ein Schalldämpfer vorgesehen ist. Darüber hinaus finden in solchen Abgasanlagen teilweise noch zwischen Katalysator und Auslass­ krümmer angeordnete Vorkatalysatoren sowie den Schalldämpfern vorgelagerte Vorschalldämpfer Verwendung.

Derartige Abgasführungen sind verhältnismäßig komplex und wei­ sen häufig auch zwischen frontseitig im Fahrzeug angeordneter Brennkraftmaschine und heckseitig zum Fahrzeug liegendem Abgas­ austritt eine beträchtliche Länge auf, wobei hohe mechanische Beanspruchungen gegeben sind, bedingt durch Beschleunigungs­ kräfte, Schwingungen, thermische Verspannungen sowie korrosive Einflüsse, sowie in Abgasanlagen mit Katalysatoren auch sehr hohe thermische Belastungen - im Hinblick auf die für die Reak­ tionsfähigkeit der Katalysatoren hohen Temperaturen - zu be­ herrschen sind.

Die für die Reaktionsfähigkeit der Katalysatoren erforderlichen hohen Temperaturen und die durch die Reaktionswärme der Kataly­ satoren gegebene Wärmeabstrahlung soll zudem weitmöglichst ohne Einfluß auf das übrige Fahrzeug bleiben, insbesondere nicht zu Wärmeeinstrahlungen in den Fahrzeuginnenraum oder einer Aufhei­ zung diesbezüglich empfindlicher Aggregate des Fahrzeuges füh­ ren, obwohl der Raumbedarf für die Abgasanlage möglichst gering und insbesondere auch deren Gewicht möglichst klein sein soll. Dementsprechend finden in der Abgasanlage möglichst dünnwandige Bleche und auch dünnwandige Rohre Verwendung, wobei im Übergang zwischen Auslasskrümmer und Katalysator häufig auch eine dop­ pelwandige Ausführung, z. B. für Auslasskrümmer in Blechbauweise oder ummantelte Bereiche der rohrförmigen Abgasleitung, Verwen­ dung findet.

Den angedeuteten sehr unterschiedlichen Anforderungen, denen die Abgasanlage auch im Hinblick auf die Abgasnachbehandlung ausgesetzt ist, ist eine weitere Forderung überlagert, nämlich nur solche von Brennkraftmaschine und Abgasanlage als Ge­ räuschquelle ausgehende Geräusche für die Fahrzeuginsassen und die Umgebung hörbar werden zu lassen, die als dem jeweiligen Fahrzeugtyp angemessen empfunden werden. Dies ist bei sportli­ cheren Fahrzeugen ein gewisser "Sound". Bei Komfortfahrzeugen geht demgegenüber die Forderung in die Richtung möglichst weit­ gehender Geräuschdämpfung, insbesondere aber dahin, keine Ge­ räusche hörbar werden zu lassen, die als "Blechgeräusche" emp­ funden werden.

Zu letzteren Geräuschen zählen auch sogenannte "Riesel- und Prasselgeräusche", wie sie beim Kaltstart der Brennkraftmaschi­ ne bis zum Aufheizen der Abgasanlage hörbar werden, wenn beim Ausstoß der heißen Abgase diese mit den kalten Wandungen des Auslasskrümmers und der Abgasleitungen in Berührung kommen. Diese als blechern empfundenen Geräusche werden, je nach Kon­ struktion, über Blechkrümmer, Abgasleitung, Katalysatorhutzen und dergleichen als Körperschall akustisch übertragen und bil­ den im Kaltstartbetrieb eine akustische Störquelle, die bei al­ len Motorlasten, d. h. vom Leerlaufbetrieb bis zum Vollastbe­ trieb als unangenehm und lästig empfunden wird. Über den Kalt­ startbetrieb hinaus treten entsprechende Geräusche teilweise auch im betriebswarmen Zustand der Brennkraftmaschine im gesam­ ten Lastbereich auf, wobei der Teil der Abgasleitung im Mün­ dungsbereich auf den Katalysator und die Katalysatorhutze ins­ besondere als Geräuschquelle wirksam werden.

Aus der DE 87 13 517 U1 ist eine Abgasführung gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruches 1 bekannt, bei der die Abgasleitung einen innerhalb des Katalysatorgehäuses verlaufenden und auf den Ka­ talysator ausmündenden Leitungsabschnitt aufweist, der im Hut­ zenbereich des Katalysatorgehäuses mit radialen Durchbrechungen versehen ist und daran anschließend in dem den Katalysator auf­ nehmenden Gehäusebereich in einer trichterförmigen Verjüngung mit durchbrochenen Trichterwänden endet. Im Anschlussbereich des Trichters an den innerhalb der Hutze liegenden, mit radia­ len Durchbrechungen versehenen Leitungsbereich, und damit im Übergang von der sich in Durchströmungsrichtung aufweitenden Hutze auf den den Katalysator aufnehmenden Gehäuseteil ist die Abgasleitung über ein Lochblech gegen das Gehäuse abgestützt, so dass der Austritt der Abgase aus der Abgasleitung in das Ka­ talysatorgehäuse über die verschiedenen Lochbereiche gestuft erfolgt, womit eine Vergleichmäßigung der Druckpulsationen und teilweise auch eine Reflexion der Abgase erreicht werden soll, mit dem Ziel, die Abgasgeräusche durch Interferenz weiter zu reduzieren. Insgesamt soll die Abstrahlung von Schall von der Oberfläche des Gehäuses der den Katalysator umfassenden Abgas­ reinigungsvorrichtung durch eine gezielte Expansion der Abgase im Eingangsbereich des Gehäuses erreicht werden.

Desweiteren ist aus der DE 692 05 771 P2 eine kombinierte Schalldämpfer-Katalysator-Einrichtung bekannt, die als gebau­ ter, katalytischer Schalldämpfer gestaltet ist, bei dem mit ka­ talytisch beschichteten Modulen gearbeitet wird, für deren je­ weils gewählte Anordnung und Zusammenfassung über eine Düsenzu­ führung eine abgestimmte Abgaszuführung und Verteilung erreicht werden soll. Als Abgasführung ist ein konischer Einlauftrichter vorgesehen, der im auf das Gehäuse auflaufenden Teil der Abgas­ leitung sehr flach geneigt ist und der innerhalb des Gehäuses in einen stärker geneigten Trichterauslauf übergeht.

Bei einer weiteren, aus der DE 37 11 029 C2 bekannten Lösung sollen an der Auslassöffnung einer auf einen Schalldämpfer, insbesondere einen Vorschalldämpfer ausmündenden Abgasleitung metallisch klingende Störgeräusche mit hochfrequenten Komponen­ ten dadurch beseitigt werden, dass ein auf den Schalldämpfer einmündender und ein vom Schalldämpfer ausgehender Leitungsteil mit geringem Abstand zueinander innerhalb des Schalldämpfers enden und dass der auf den Schalldämpfer einmündende Leitungs­ teil einen kleineren stirnseitigen Öffnungsquerschnitt aufweist als der vom Schalldämpfer ausgehende Leitungsteil, jeweils bei Lochung der beiden Leitungsteile in ihren Endbereichen.

Eine weitere Schalldämpferausbildung mit integriertem Katalysa­ tor zeigt die DE 42 34 097 A1, wobei die auf den Katalysator ausmündende Abgasleitung im Endbereich geschlossen ist und in ihrem innerhalb des Katalysators liegenden Mantelbereich ge­ locht ausgeführt wird, um eine möglichst gleichmäßige Beauf­ schlagung des Katalysators mit Abgas über dessen gesamte Quer­ schnittsfläche zu erreichen.

Zur Reduzierung des erforderlichen Schalldämpfervolumens ist es in Abgasführungen für Kraftfahrzeuge aus der DE 689 20 044 T2 bekannt, stromauf des Schalldämpfers liegende Bereiche des Ab­ gasleitungssystems bereits im Hinblick auf eine entsprechende Vordämpfung auszubilden, wozu in Bezug auf einen Abgasteiler in einem dualen Abgassystem, bei dem der Abgasteiler bei T- förmiger Grundform einen Einlass und zwei nach gegenüberliegen­ den Seiten gerichtete Auslässe aufweist, im Gablungsbereich des Abgasteilers ein den Querschnitt verengender Einsatz einge­ bracht wird. Dieser Einsatz ist als in Teilbereichen gelochter, dreiecksförmiger Blechkörper ausgebildet, dessen Schenkel bei in Richtung auf das Einlassende ragender Spitze gegen die ein­ ander gegenüberliegenden Auslaufenden auseinander laufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Riesel- und Prassel­ geräusche bei möglichst geringem Aufwand ohne negative Einflüs­ se auf die Abgasführung, das Leistungsverhalten der Brennkraft­ maschine und die Einhaltung der Abgasgrenzwerte auszuschalten.

Erreicht wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1.

In dem geräuschmäßig kritischen Bereich von Auslasskrümmer und Abgasleitung, bis hin zum Katalysator, ist dabei erfindungsge­ mäß ein trichterförmiger, in seinem trichterförmigen Wandbe­ reich gelochter Einsatz angeordnet, der den im Einsatzbereich des Trichters gegebenen freien Querschnitt überdeckt und der sich stromab verjüngt. Der Bereich, in dem der Einsatz angeord­ net ist, ist dabei in seinem Durchmesser aufgeweitet, so dass sich in der Einströmung auf den Trichter zunächst eine gewisse Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit und ein gewisser Druckanstieg ergibt, der nach Durchströmung des Trichters, ins­ besondere bei Rückführung auf den dem Zuströmbereich auf den Trichter entsprechenden freien Strömungsquerschnitt wieder in Geschwindigkeit umgesetzt wird. Die durch den trichterförmigen Einsatz bedingte Stauwirkung wirkt sich aufgrund dieser Ausge­ staltung auf das Leistungsverhalten der Brennkraftmaschine in einem messtechnisch kaum noch erfaßbaren Umfang aus, führt aber dazu, dass die angesprochenen Riesel- und Prasselgeräusche nicht mehr oder kaum noch auftreten, ohne dass zur akustischen Isolierung auf teure luftspaltisolierte Rohre oder Duplexrohre zurückgegriffen werden muß. Dadurch ergeben sich auch gegenüber sonstigen, im akustischen Verhalten gleichwertigen Lösungen Ko­ sten- und Gewichtseinsparungen.

Der trichterförmige Einsatz weist unter anderem aus Montage­ gründen, sowie auch im Hinblick auf einen gegenüber dem aufneh­ menden Leitungsbereich strömungstechnisch absatzlosen Übergang in den Trichter, im stromauf liegenden Endbereich einen dem In­ nenumfang des aufnehmenden Bereiches entsprechenden Außenumfang auf, wobei dieser aufnehmende Bereich im Durchmesser soweit ab­ gesetzt ist, dass sich ein ansatzloser und damit unter Strö­ mungsgesichtspunkten ungestörter Übergang ergibt. Im Hinblick darauf erweist es sich auch als zweckmäßig, den trichterförmi­ gen Einsatz mit seinem den Anschluss an den Innenumfang des aufnehmenden Bereiches bildenden Ringbund soweit einzuschieben, dass Anschlussspalte nach Möglichkeit vermieden sind.

Im Sinne der vorstehend geschilderten Funktion des trichterför­ migen Einsatzes erweist es sich als zweckmäßig, die Aufweitung der Abgasleitung stromauf des trichterförmigen Einsatzes anzu­ setzen, und die Aufweitung stromab des trichterförmigen Einsat­ zes enden zu lassen, wobei bezogen auf die Länge des trichter­ förmigen Einsatzes die diesbezüglichen stromab oder stromauf liegenden Aufweitungsbereiche nur kurz sind.

Im Hinblick auf die Montierbarkeit des trichterförmigen Einsat­ zes erweist es sich als zweckmäßig, diesen jeweils einem Endbe­ reich eines abgasführenden Teiles, so beispielsweise des Aus­ lasskrümmers oder eines rohrförmigen Leitungsabschnittes zuzu­ ordnen, so dass sich die für einen absatzlosen Einlauf auf den Trichter notwendigen Aufweitungen in einfacher Weise realisie­ ren lassen.

Der trichterförmige Einsatz kann bezüglich seines als Befesti­ gungsbund dienenden Ringbundes aber auch derartig eingesetzt werden, dass er zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilen des Leitungssystemes zu liegen kommt oder mit seinem Ringbund ein Verbindungsglied zwischen diesen Leitungsteilen bildet.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der erfindungsgemäßen Abgas­ führung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ferner wird die Erfindung nachstehend mit weiteren Details anhand der Zeichnun­ gen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematisierter Draufsicht die Abgasführung für eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine eines ebenfalls nicht dargestellten Kraftfahrzeuges in ei­ ner in ein Koordinatennetz eingebetteten Darstellung,

Fig. 2 in einer Schnittdarstellung vergrößert den Ausschnitt II in Fig. 1, und

Fig. 3 in einer der Fig. 2 entsprechenden Schnittdarstel­ lung, ebenfalls vergrößert, den Ausschnitt III in Fig. 1.

In Fig. 1 sind Teile einer Abgasführung 1 für eine nicht dar­ gestellte Brennkraftmaschine eines ebenfalls nicht dargestell­ ten Kraftfahrzeuges gezeigt, die in Richtung des Pfeiles 2 durchströmt wird und deren an den hier nicht dargestellten Aus­ lasskrümmer der Brennkraftmaschine anschließender Teil zweiflu­ tig ausgebildet ist und durch zwei Leitungsabschnitte 3 und 4 gebildet ist. Die Leitungsabschnitte 3 und 4 werden zusammenge­ führt und gehen in einen einflutigen Leitungsabschnitt 5 über, der seinerseits auf einen Katalysator 6 ausmündet, von dem aus das Abgas, ohne dass dies hier gezeigt wäre, in bekannter Weise über einen Schalldämpfer der endseitigen Austrittsöffnung der Abgasführung zugeführt wird.

Zwei Detailbereiche II und III der Abgasführung gemäß Fig. 1 zeigen die Fig. 2 und 3 jeweils im Schnitt, wobei für einan­ der entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen Verwendung fin­ den.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass im Übergang der Leitungsab­ schnitte 3 und 4 auf den Leitungsabschnitt 5 ein aufgeweiteter Endbereich 7 vorgesehen ist, der sich mit den Enden der Lei­ tungsabschnitte 3 und 4 im Aufschiebebereich überlappt und in dem anschließend an diesen Aufschiebebereich ein trichterförmi­ ger Einsatz 8 angeordnet ist. Der trichterförmige Einsatz 8 verjüngt sich in Durchströmungsrichtung (Pfeil 2) und weist an seinem stromauf liegenden Ende einen Ringbund 9 auf, der mit seinem Aussenumfang am Innenumfang des aufgeweiteten Endberei­ ches 7 anliegt und über seinen Ringbund 9 gegenüber dem Endbe­ reich 7 befestigt ist. Dies kann durch Passsitz erfolgen, und es kann zusätzlich auch eine Verschweißung oder dergleichen vorgenommen werden. Stromab anschließend an den Ringbund 9 weist der trichterförmige Einsatz 8 seinen trichterförmigen Ab­ schnitt 10 auf, der gelocht ausgebildet ist, wobei die hier an­ gedeuteten Löcher mit 11 bezeichnet sind. Die Mündung 12 des trichterförmigen Abschnittes 10 hat einen Querschnitt, dessen Durchmesser 13 deutlich kleiner als der Durchmesser 14 des nicht aufgeweiteten Bereiches der Abgasleitung 5 ist. Dieser kann bis zu 8 × größer als der Durchmesser 13 der Mündung 12 sein, und ein bevorzugtes Verhältnis des Durchmessers 14 des nicht aufgeweiteten Bereiches der Abgasleitung 5 zum Durchmes­ ser der austrittsseitigen Mündung 13 des trichterförmigen Ab­ schnittes 10 liegt bei 2 : 1 bis 4 : 1.

Der trichterförmige Abschnitt 10 des Einsatzes 8 ist bevorzugt etwa bis zu 3 × länger als der Durchmesser 14 des nicht aufge­ weiteten Bereiches der Abgasleitung 5, und bevorzugt ist die in Strömungsrichtung 2 gemessene Länge des trichterförmigen Ab­ schnittes 10 des Einsatzes 8 etwa 1 bis 2 × größer als der Durchmesser 14 des nicht aufgeweiteten Leitungsabschnitt 5.

Im Extrem kann das Verhältnis des Durchmesser 14 des nicht auf­ geweiteten Bereiches des Leitungsabschnittes 5 zum Durchmesser 13 der Mündung 12 zwischen 1,25 bis 8 : 1, und das Verhältnis der Länge des trichterförmigen Abschnittes 10 zum Durchmesser 14 bei 0,3 bis 3 : 1 liegen.

Das Verhältnis des Durchmessers 15 des aufgeweiteten Abschnit­ tes (in Fig. 2 des aufgeweiteten Endbereiches 7 der Leitung 5) zum Durchmesser 14 des nicht aufgeweiteten Bereich der Leitung 5 liegt im Extrem bei 1,5 : 1 und in der Mehrzahl der Fälle bei 1,2 bis 1,4, kann fallweise unter Extrembedingungen aber noch kleiner ausfallen.

Die Löcher 11 haben Querschnittsflächen, die Lochbohrungen mit Durchmessern von 2,5 bis etwa 6,5 mm entsprechen.

Die Ausschnittsvergrößerung 2 zeigt eine Anordnung des trich­ terförmigen Einsatzes 8 im motornahen Bereich der Abgasführung 1 und stellt eine bevorzugte Lösung dar. Der trichterförmige Einsatz 8 kann aber auch in anderen Bereichen des Leitungsab­ schnittes 5 vorgesehen sein, so beispielsweise beim Übergang auf den Katalysator 6, wie die Ausschnittsvergrößerung 3 zeigt, bei der der trichterförmige Einsatz 8 im Eingangsbereich der Hutze 16 des Katalysators 6 liegt.

Die Aufweitung des den trichterförmigen Einsatz 8 aufnehmenden Bereiches kann, wie aus Fig. 1 ersichtlich, leitungsseitig 5 verlaufend in Richtung auf die Hutze 16 erfolgen, und die Hutze 16 kann auch selbst einen Teil der Aufweitung bilden, wie in der Figur dargestellt. Eingesetzt ist der trichterförmige Ein­ satz 8 bei dieser Ausführungsform in den aufgeweiteten Endbe­ reich des Leitungsabschnittes 5, der seinerseits außenseitig von der aufgesteckten Hutze 16 übergriffen ist.

Im Rahmen der Erfindung können in einer Abgasführung auch meh­ rere Einsätze 8 vorgesehen sein, beispielsweise positioniert wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt.

Claims (9)

1. Abgasführung für in Kraftfahrzeuge, insbesondere Personen­ kraftwagen, als Antriebsquelle eingesetzte Brennkraftmaschinen mit zwischen brennkraftmaschinenseitigem Auslasskrümmer und hierzu beabstandetem Katalysator liegender, einen freien Durch­ strömungsquerschnitt bestimmender Abgasleitung, in der ein trichterförmiger, in seinem trichterförmigen Wandbereich ge­ lochter Einsatz angeordnet ist, der sich stromab verjüngt, dadurch gekennzeichnet, dass der trichterförmige Einsatz (8) in seinem stromauf lie­ genden Endbereich einen dem Innenumfang des aufnehmenden Berei­ ches der Abgasleitung (5) entsprechenden Aussenumfang aufweist und dass der Querschnitt (15) der Abgasleitung (5) im Aufnahme­ bereich des trichterförmigen Einsatzes (8) mit einer Quer­ schnittsaufweitung versehen ist, die der durch den trichterför­ migen Einsatz (8) gegebenen Verringerung des freien Durch­ trittsquerschnittes etwa entspricht.

2. Abgasführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der trichterförmige Einsatz zwischen zwei einander über­ lappende Teile der Abgasführung einsteckbar ist.

3. Abgasführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im trichterförmigen Einsatz (8) vorgesehenen Löcher (11) einen Bohrungsdurchmesser von etwa 2,5 bis 6,5 mm aufwei­ sen.

4. Abgasführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des trichterförmigen Abschnittes (10) des Ein­ satzes (8) bis zu etwa 3 × größer als der Durchmesser (14) des nicht aufgeweiteten Bereiches der Abgasleitung (5) ist.

5. Abgasführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (14) des nicht aufgeweiteten Bereiches der Abgasleitung (5) bis zu 8 × größer als der Durchmesser (13) der austrittsseitigen Mündung des trichterförmigen Einsatzes (8) ist.

6. Abgasführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (15) des aufgeweiteten Bereiches der Ab­ gasleitung (5) bis zu etwa 1,5 × größer ist als der Durchmesser (14) des nicht aufgeweiteten Bereiches der Abgasleitung (5).

7. Abgasführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der trichterförmige Einsatz (8) aus Flachmaterial, insbe­ sondere Blech besteht.

8. Abgasführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des trichterförmigen Einsatzes (8) etwa der Wandstärke der Abgasleitung (5) entspricht.

9. Abgasführung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des trichterförmigen Einsatzes (8) bei 0,3 bis 2,0, bevorzugt bei etwa 1, 2 bis 1,6 mm liegt.