DE19955541A1 - Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem, das Abgas führenden Abgaskanal, der sich von einem, der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Abgaseinlaß zu einem Abgasauslaß erstreckt. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß eine mit dem Abgas in Berührung kommende Oberfläche (32) des Abgaskanals (12) mit einem für feste und flüssige Bestandteile des Abgases geringhaftenden Material ausgestattet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Es ist bekannt, die aus einer Verbrennungskraftmaschine austretenden Abgase über Abgasanlagen abzuführen. In der Regel beherbergt der Abgaskanal einer Abgasanlage verschiedene integrierte Komponenten. Dazu gehören beispielsweise Katalysatoren, die das Abgas von umweltschädlichen gasförmigen Bestandteilen befreien und . Schalldämpfer zur Reduzierung der Lärmemission. Der in der Regel stromabwärts des Katalysators angeordnete Schalldämpfer kann gegebenenfalls Vor- und Nachschalldämpfer umfassen.

Neben gasförmigen Bestandteilen enthält das Abgas auch feste und flüssige Verbrennungsrückstände, wie etwa Dieselruß und unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe. Im Fahrzeugbetrieb kommt es zur Ablagerung dieser festen und flüssigen Bestandteile, insbesondere des Dieselrußes, in der Abgasanlage. Diese Ablagerungen befinden sich bevorzugt an verwinkelten Orten des Abgasstranges oder an volumenerweiternden oder -verengenden Elementen, an denen eine Veränderung des Strömungswiderstandes stattfindet oder die von dem Abgasstrom nur unzureichend durchströmt werden. Hierzu zählen insbesondere Vorrichtungen zur Abgasreinigung und zur Schalldämpfung. Insgesamt werden Ablagerungen jedoch auf der gesamten mit dem Abgas in Berührung kommenden Oberfläche der Abgasanlage in unterschiedlichem Ausmaß beobachtet. Langfristig kommt es zu einem Verkleben der Ablagerung unter Einfluß der flüssigen Abgasbestandteile sowie von Kondenswasser.

Unter bestimmten Betriebsbedingungen, beispielsweise kurzen Beschleunigungen, werden die Ablagerungen infolge des erhöhten Abgasdruckes und von Vibrationen vom Ablagerungsort abgelöst und stoßweise in Form relativ großer Partikel aus der Abgasanlage ausgestoßen. Gelangen solche Auswürfe in den Katalysator, können sie dessen Funktion beeinträchtigen oder diesen sogar zerstören. Auf der anderen Seite führt ein aus der Abgasanlage austretender Rußstoß zeitweise zu einer unverhältnismäßig erhöhten Umweltbelastung. Zudem führt die zeitlich schwankende Rußemission bei Abgasüberprüfungen zu unsicheren Ergebnissen aufgrund der mangelnden Konstanz der gemessenen Abgaswerte.

Die US 4,064,963 offenbart eine aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen hergestellte Auspuffanlage, die eine hitzebeständige Innenbeschichtung mit Partikeln aus Aluminium, Beryllium oder Zirkonium, auf einer Matrix aus Teflon oder Silikon oder eine metallische Innenummantelung trägt. Die erfindungsgemäße Beschichtung oder Ummantelung dient dem Schutz der Abgasanlage, beispielsweise vor thermischen Schädigungen oder vor Korrosion, welche durch aggressive Verbrennungsrückstände hervorgerufen werden kann. Die Ablagerung von Rußpartikeln kann auf diese Weise jedoch nicht verhindert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlage der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit der in einfacher aber effizienter Weise Ablagerungen von festen und flüssigen Bestandteilen des Abgases im gesamten Bereich der Abgasanlage vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Abgasanlage mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Es ist vorgesehen, eine mit dem Abgas in Berührung kommende Oberfläche des Abgaskanals mit einem für feste und flüssige Bestandteile des Abgases geringhaftenden Material auszustatten.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht die Beschichtung der Oberfläche mit einem geringhaftenden Material vor. In einer alternativen Ausgestaltung bestehen die Wandungen des Abgaskanals aus einem geringhaftenden Material.

Eine Vielzahl von Elementen oder Verbindungen kommt für die Verwendung als geringhaftendes Material in Frage. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein hochtemperaturbeständiger Kunststoff mit geeigneten Adhäsionseigenschaften, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen oder Polyphenylsulfid, als geringhaftendes Material eingesetzt.

Es ist weiterhin bevorzugt, das geringhaftende Material aus der Gruppe der diamantähnlichen Kohlenstoffe (DLC - diamont like carbon) auszuwählen. Diese Gruppe umfaßt den sogenannten amorphen Kohlenwasserstoff und Modifikationen von diesem, in denen beispielsweise Fluor oder Silizium in die Matrix des amorphen Kohlenwasserstoffes eingebaut sind. Durch solche Modifikationen lassen sich definierte Benetzungs- und Adhäsionseigenschaften in amorphen Kohlenwasserstoffen einstellen.

Weitere geringhaftende Materialien finden sich in hochglatten Oberflächen, beispielsweise von Metallen, Metalloxiden oder Keramiken. Hochglatte Oberflächen mit einer Rauhigkeit im µm- bis nm-Maßstab können durch chemische oder physikalische Polier- und Ätzverfahren hergestellt werden.

Im Falle der bevorzugten Ausführung der Erfindung als geringhaftende Beschichtung kommen galvanische oder elektrolytische Abscheidungsverfahren, Aufdampfen sowohl chemische als auch physikalische Depositionsverfahren in Frage. Bevorzugtermaßen erfolgt die Beschichtung mittels PVD- oder PVS-Verfahren.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht ferner vor, auch die mit dem Abgas in Berührung kommenden Oberflächen von in den Abgaskanal integrierten Komponenten mit dem geringhaftenden Material auszustatten. Diese Komponenten umfassen vor allem Schalldämpfer, die beispielsweise Vor- und Nachschalldämpfer beinhalten.

Durch die genannten Maßnahmen können somit Ablagerungen von festen und flüssigen Verbrennungsrückständen im gesamten Bereich der Abgasanlage unterdrückt werden. Somit ist möglich, nicht nur den Katalysator vor der Zerstörung durch grobkörnige Partikel zu bewahren, es wird vielmehr auch eine zeitlich konstante Emission von Ruß- und anderen Verbrennungsrückständen gewährleistet, ohne stark umweltbelastende Rußstöße in Kauf zu nehmen. Auch die beschriebenen, bei Abgasuntersuchungen auftretenden Probleme treten bei der erfindungsgemäßen Abgasanlage somit nicht auf.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform und

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Rußemission einer Verbrennungskraftmaschine mit einer herkömmlichen Abgasanlage (a) und einer Verbrennungskraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasanlage (b).

Fig. 1 stellt eine Abgasanlage 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Abgasanlage 10 umfaßt einen Abgaskanal 12 mit einem motorseitig angeordneten Abgaseinlaß 14, einem Katalysator 16, einem System zur Schalldämpfung, das einen Vorschalldämpfer 18 und einen Nachschalldämpfer 20 beinhaltet, einem Rohrknie 22 sowie einem Abgasauslaß 24. Die gesamte Abgasanlage 10 wird von einer Wandung 30 ummantelt.

Das aus der Verbrennungskraftmaschine austretende Abgas tritt in den Abgaseinlaß 14 und wird dem nachgeschalteten Katalysator 16 zugeführt. Der Katalysator 16 weist einen bekannten, hier nicht näher dargestellten Aufbau auf, der ein poröses Trägermaterial (Monolith) und eine hierauf aufgebrachte, katalytisch wirksame Substanz beinhaltet. Das Abgas durchströmt die Kanäle des Monolithen. Dabei werden auf an sich bekannte Weise an der Katalysatoroberfläche verschiedene gasförmige Verbrennungsprodukte, wie etwa Kohlenmonoxid oder Stickoxide, chemisch in weniger umweltrelevante gasförmige Verbindungen umgesetzt. Makroskopische Abgaspartikel fester oder flüssiger Art werden bei diesem Prozeß nicht von dem Abgas abgetrennt. Das den Katalysator verlassende Abgas durchströmt den weiteren Abgaskanal 12 und passiert dabei die nachfolgend in dem Abgaskanal 12 integrierten Komponenten, die in diesem Beispiel durch den Vorschalldämpfer 18 sowie den Nachschalldämpfer 20 gegeben sind. Die Schalldämpfer können beliebig ausgestaltet sein, beispielsweise als Absorptions-, Reflexions- oder Relaxationsschalldämpfer. Das Abgas verläßt schließlich durch den Abgasauslaß 24 die Abgasanlage 10.

Viele in der Abgasanlage 10 integrierte Bauelemente verursachen eine Veränderung des Strömungswiderstandes. Zudem führen jegliche Strömungshindernisse innerhalb des Abgaskanals zu einer Absenkung der kinetischen Energie von Abgaspartikeln.

Bauelemente dieser Art, die besonders durch die schalldämpfenden Mittel der Schalldämpfer 18, 20 aber auch durch das Rohrknie 22 gegeben sind, stellen Orte dar, an denen Abgaspartikel sich bevorzugt ablagern. Jedoch werden selbst an den Wandungen gerader Rohrabschnitte, in denen weitgehend laminare Strömungsbedingungen herrschen, Partikelablagerungen beobachtet. Die Ablagerungen treten vor allem bei gleichmäßigen Betriebsbedingungen im niedrigen oder mittleren Lastbereich auf. Langfristig kommt es zu einem Verkleben der Rußablagerungen, insbesondere unter dem Einfluß flüssiger Abgaspartikel und kondensierter Luftfeuchtigkeit. Unter der Bedingung höherer Motorlasten, die etwa bei starken Beschleunigungsvorgängen auftreten, findet infolge des erhöhten Gasdruckes und der auftretenden Vibrationen ein Ablösen der Ablagerungen statt. In solchen Phasen werden eruptionsartige Rußstöße mit relativ großen Partikeln beobachtet. Zudem können starke Ablagerungen auch die Funktion der Schalldämpfungsanlage dauerhaft beeinträchtigen.

Erfindungsgemäß lassen sich die Ablagerungen und die durch diese verursachten Rußstöße unterdrücken, indem alle mit dem Abgas in Berührung kommenden Oberflächen des Abgaskanals mit einem Material ausgestattet sind, das für feste und flüssige Verbrennungsrückstände des Abgases geringhaftend, idealerweise nichthaftend ist. Der Vergrößerungsausschnitt in Fig. 1 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar, in der die mit dem Abgas in Berührung kommende Oberfläche 32 der Wandung 30 mit einer Beschichtung 34 aus einem geringhaftenden Material versehen ist. Idealerweise weist die gesamte Rohrwandung 30 der Abgasanlage 10 die erfindungsgemäße Innenbeschichtung 34 auf. Auf diese Weise kann sehr wirkungsvoll die Ablagerung fester und flüssiger Abgasbestandteile verhindert werden und eine zeitlich konstante Emission relativ feiner Partikel gewährleistet werden.

Ablagerungsbedingte Beeinträchtigungen der Abgasanlage beziehungsweise ihrer Bauteile werden durch die erfindungsgemäße Innenbeschichtung verhindert.

Fig. 2 stellt die zeitabhängige Rußemission einer konventionellen Abgasanlage (a) der einer erfindungsgemäße Abgasanlage (b) gegenüber. Die ausgestoßene Partikelzahl n erfolgt mit der herkömmlichen Abgasanlage über unterschiedlich lange Phasen im niedrigen und mittleren Lastenbereich der Verbrennungskraftmaschine auf relativ niedrigem und konstanten Niveau (nicht schraffierter Bereich). Auf der anderen Seite kommt es unter bestimmten Betriebsbedingungen, beispielsweise unter erhöhter Motorlast, zu unterschiedlich starken Emissionsspitzen der Partikel (schraffierter Bereich). Diese sogenannten Rußstöße führen nicht nur zu Problemen bei der Abgasuntersuchung, sondern stellen auch unverhältnismäßig hohe Umweltbelastungen dar. Demgegenüber weist die Partikelemission der erfindungsgemäßen Abgasanlage (b) einen zeitlich sehr konstanten Verlauf auf. Rußstöße und die damit verbundenen Probleme werden nicht beobachtet.

Die vorausgegangene Beschreibung zeigt, wie durch die Ausstattung des Abgaskanals mit einem geringhaftenden Material gemäß der vorliegenden Erfindung die Nachteile herkömmlicher Abgasanlagen, die durch Ablagerung und damit verbundenen Problemen gegeben sind, auf einfache Weise überwunden werden können.

Claims (11)

1. Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem, das Abgas führenden Abgaskanal, der sich von einem, der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Abgaseinlaß zu einem Abgasauslaß erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Abgas in Berührung kommende Oberfläche (32) des Abgaskanals (12) mit einem für feste und flüssige Bestandteile des Abgases geringhaftenden Material ausgestattet ist.

2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (32) mit einer Beschichtung (34) des geringhaftenden Materials ausgestattet ist.

3. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Abgas in Berührung kommende Wandung (30) des Abgaskanals (12) aus dem geringhaftenden Material besteht.

4. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das geringhaftende Material ein hochtemperaturbeständiger Kunststoff, wie Polytetrafluorethylen oder Polyphenylsulfid, ist.

5. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das geringhaftende Material aus der Gruppe der diamantähnlichen Kohlenstoffe stammt, die amorphen Kohlenwasserstoff und modifizierte Formen des amorphen Kohlenwasserstoff umfaßt.

6. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das geringhaftende Material eine hochglatte Metalloberfläche ist.

7. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das geringhaftende Material eine hochglatte Metalloxidoberfläche ist.

8. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das geringhaftende Material eine hochglatte Keramikoberfläche ist.

9. Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (34) aus dem geringhaftenden Material mit einem galvanischen oder elektrolytischem Abscheidungsverfahren, durch Aufdampfen oder mit einem chemischen oder physikalischem Depositionsverfahren, wie dem PVD- oder PVS- Verfahren, aufgebracht ist.

10. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Abgas in Berührung kommenden Oberflächen (32) von in den Abgaskanal (12) integrierten Komponenten mit dem geringhaftenden Material ausgestattet sind.

11. Abgasanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Abgaskanal (12) integrierten Komponenten Schalldämpfer, insbesondere Vor- und Nachschalldämpfer (18, 20), umfassen.