DE2853912A1

DE2853912A1 - Abgasleitung fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2853912A1
Application number: DE19782853912
Authority: DE
Inventors: Armin Bauder; Konrad Lummerzheim; Gottlieb Dr Ing Wilmers
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG; Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1978-12-14
Filing date: 1978-12-14
Publication date: 1980-07-03
Also published as: JPS5584811A; FR2444159A1; GB2037369A; SE7909982L

Description

Die iOri'indung bezieht sich auf eine Abgasleitung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus dor I)E-OS 25 'i9 256 ist beispielsweise eine wärmeisolierte Abgasleitung bekannt, deren Innenwand eine katalytisch wirksame Schicht oder zugesetzte katalytische Stoffe aufweist, durch welche die thermische Umwandlungsreaktion der unmittelbar aus der Brennkraftmaschine in die Abgasleitung einströmenden Abgase verstärkt und somit ein günstiger Einfluß auf die Nachverbrennung der unverbratinten Abgasbestandteile erzielt werden soll. Da das Abgas aber bei dieser Ausführung verhältnismäßig schnell an der Innenwand der Abgasleitung vorbei strömt, kommen die im Kern des Abgasstromes mitgeführten Bestandteile nicht mit der katalytischen Schicht in Berührung, so daß die erwartete Umwandlungsreaktion nicht in erwünschtem Umfange eintreten kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasleitung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 zu schaffen, bei der das die Abgasleitung durchströmende Abgas zur Erzielung einer Umwandlungsreaktion möglichst vollständig über die katalytische Schicht auf die Innenwand des Rohres geführt wird.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch diese Art der Verbesserung, bei der eine Vergrößerung der die kntalytische Schicht aufnehmenden Innenwand des Abgasrohres auf annähernd das Doppelte erreicht wird, kann eine intensive Turbulenz de.·- durchströmenden Abgases erzeugt werden, welche im Randbereich dos Abgasstromes einen raschen Austausch ermöglicht und hierdurch auch die im Kern mitgeführten Bestandteile des Abgases erfaßt und an die katalytische Schicht heranführt. Im Gegensatz zu der bekannten Ausführung ist durch die vorgeschlagene Lösung eine wesentlich verbesserte und schnell ansprechende Umwandlungsreaktion des Abgasstromes an der katalytischen Schicht erzielbar. Je nach An/.a hl der Wendel in der Innenwand und Höhe der Steigung kann die Turbulenz des Abgusstromes durch eine mehr oder weniger starke Um-

030027/0107

wälzung oder Verwirbelung des Abgasstromes erreicht werden, wobei eine Umwälzung bei der größten annähernd in Strömungsrichtung verlaufenden Steigung durch einen dem Abgasstrom erteilten .Drall und die Verwirbelung durch die von der kleinsten annähernd quer /,ur Strömungsrichtung verlaiifende Steigung gebildete wellenform! ge Innenwand entstehen.

Die Abgasleitung kann so ausgebildet sein, daß die Innenwand des Rohres aus mindestens einem im Querschnitt gewellten Streifen besteht und eine Steigung aufweist, die das o,2 bis 1-fache des Durchmessers des freien Durchströmquerschnittes des Rohres beträgt. Diese Ausbildung findet dann Anwendung, wenn eine Verwirbelung des Abgases durch die gewellte Innenwand des Rohres ausreichend ist und eine stärkere Drallbewegung des Abgasstromes vernachlässigt werdon kann.

Aus der DE-OS 22 k2 857 ist eine Abgasleitung mit einer in die Abgasleitung eingesetzten rohrförmigen Auskleidung aus rostfreiem Stahl bekannt, die aus einem gewellten Metallblech besteht. Diese auf ihrer Innen-' und Außenfläche von Abgas beaufschlagte Auskleidung dient innerhalb der Abgasleitung als Wärmeisolierung, um die Wärmeübertragung von dem durchströmenden Abgas auf die Wand der Abgasleitung zu verringern und somit die Verwendung von teueren wider·- standsfähigen Werkstoffen für die Abgasleitung zu vermeiden. Diese Veröffentlichung gibt jedoch keine Anregung dazu, bei einer Abgasleitung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine Vergrößerung der Oberfläche und eine Turbulenz des Abgasstromes im Sinne der Erfindung zu bewirken, da zur Erzielung der dort gewünschten Wärmeisolierung ein möglichst ruhendes Gaspolster entlang der Wand des Abgasrohres geschaffen werden soll.

Eine weitere Möglichkeit, die Abgasleitung auszubilden, besteht darin, daß das Rohr einen viereckigen Querschnitt aufweist. Bei dieser.Ausführung, bei der die Innenwand ebenfalls eine wesentlich größere Oberfläche aufweist als bei der bekannten Abgasleitung, kann das aus der Brennkraftmaschine austretende Abgas durch die mögliche Größe der Steigung des Rohres vorwiegend in eine Drallbewegung versetzt Und durch die hierbei gleichzeitig erteilte Umfangsgeschwindigkeit umgewälzt werden. Dies hat bei ausreichenden Raumverhältnis-

030027/0107 ~ * "

son zur Unterbringung der Abgasleitung den Vorteil, daß der Abgas-Kfrom bei geringstem Strömungswiderstand durch die erzielte Turbulenz weitgehend vollständig mit der katalytischen Schicht auf dor Innenwand in Berührung kommt. Diese erfindungsgemäße Wirkung kunn auch erzielt werden, wenn das Rohr einen Querschnitt in Form eines Kleeblattes aufweist, wobei das Rohr beispielsweise die Form eines drei- oder vierblätterigen Kleeblattes haben kann.

Ksfiihrungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Teil einer erfindungsgemäßen Abgasleitung mit einer kleinen Steigung,

Fig. 2 eine Seitenansicht auf eine teilweise geschnittene Abgasleitung mit einer größeren Steigung, wobei die Wärmeisolierung zum Teil weggelassen ist,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Abgasleitung mit beispielsweise einem viereckigen Profil gemäß Linie III-III in Fig. 2,

Fig. k einen Querschnitt ähnlich Fig. 3 in einer weiteren Ausführungsform, und

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Abgasleitung mit einem kleeblattförmigen Profil.

Die in Fig. 1 als Teilstück gezeigte Abgasleitung 1 besteht im wesentlichen aus einem von einem Mantel 2 umgebenen üblicherweise wärmeisolierten Rohr 3, das auf seiner Innenwand 4 eine katalytisch wirksame Schicht aufweist. Die Abgasleitung 1 ist über einen Flansch i) an einer angedeuteten Brennkraftmaschine 6 befestigt und steht mit deren Auslaßkanal 7 in Verbindung. Das Rohr 3 ist schraubenförmig gewendelt, wobei der beispielsweise eingängige Wendel eine Steigung S aufweist, die etwa das 1-fache des Durchmessers d des freien Uurchströmquerschnittes des Rohres 3 beträgt. Der das Rohr 3 und die Innenwand bildende Wendel kann beispielsweise aus einem einzelnen

050027/0107

Streifen hergestellt sein, der mit einer einzigen in Längsrichtung des Streifens verlaufenden Welle versehen und entlang der schraubenförmigen Linie verschweißt ist. Selbstverständlich kann die Steigung S kleiner sein als bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel und nur das 0,2-fache des Durchmessers d des freien Durchströmquerschnittes betragen. Ebenso ist es möglich, daß die Innenwand des Rohres 3 aus mehr als einem Streifen bzw. mohr als einer Seitenwand hergestellt wird, also mehrgängig ausgebildet ist oder mehr als eine Welle aufweist. Die Wendel des Rohres 3 können auch auf andere bekannte Weise schraubenförmig ausgearbeitet anstatt durch aneinandergefügte Streifen hergestellt werden.

Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel das Abgas aus dem Auslaßkanal 7 in das Rohr 3 eintritt, wird der Abgasstrom zunächst in seinem Randbereich von den ersten, annähernd quer zur Strömungsrichtung verlaufenden, eine wellenförmige Innenwand bildenden Wendeln erfaßt und eine den Abgasstrom umgebende Verwirbelung eingeleitet, welche durch die folgenden Wendel fortgesetzt und verstärkt wird, so daß schließlich der Kern des Abgasstromes erfaßt wird und sämtliche mit dem Abgasstrom mitgeführten Bestandteile mit der Innenwand k des Rohres 3 iⁿ Berührung kommen und an die katalytische Schicht herangeführt werden. Die Umwandlungsreaktion der Abgase wird bei dieser Ausführung insbesondere durch die von der wellenförmigen Innenwand im Rohr weitgehend quer zur Strömungsrichtung erzeugte Verwirbelung gefördert. Durch den schraubenförmigen Wendel ist es zwar möglich, daß der verwirbelte Abgasstrom in einen zusätzlichen Drall versetzt wird, doch ist die Steigung S bei dieser Ausführung zu klein, so daß ein Drall gegenüber der Verwirbelung kaum zur Wirkung kommt. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung besteht darin, daß die gewendelten Wellen des Rohres 3 die auftretenden thermischen Dehnungen weitgehend aufnehmen können.

In Fig. 2 ist das Teilstück einer Abgasleitung 1' dargestellt, bei der für gleichartige Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 jedoch mit einem Strich, verwendet worden sind. Abweichend von dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Steigung S' des Rohres 8 etwa das 10-fache des Durchmessers d des freien Durchströmquerschnitts. Außerdem wird die Innenwand des Rohres 8 von vier gleichartig geformten schraubenförmig gewendelten Seitenwänden bzw. Streifen gebildet. - 6 -

030027/0107

Bei dieser Ausführung wird der aus dem Auslaßkanal 7' in das Rohr 8 eintretende Abgasstrom zunächst in seinem Anfangsbereich von den annähernd in Strömungsrichtung in einer großen Steigung S¹ verlaufenden schraubenförmigen Wendeln erfaßt, wodurch eine Umwälzung des Teils des Abgasstromes eingeleitet wird, der die Wondel durchströmt. Mit fortschreitendem Durchströmen erhöht sich die Umfangsgeschwindigkeit des sich in einem Drall umwälzenden Bereichs, so daß hierdurch auch den Kern des Abgasstromes erfaßt wird und sämtliche mit dem Abgas mitgeführten Bestandteile an die kntalytische Schicht auf der Innenwand 4' herangeführt werden. Die Umwandlungsreaktion der Abgase wird in diesem Fall überwiegend durch die weitgehend in Drallrichtung verlaufende Umwälzung gefördert, die von der schraubenförmig gewendelten Innenwand 4' erzeugt wird.

Fig. 3 zeigt den Querschnitt durch das Rohr 8 aus Fig. 2, wobei der Durchmesser d des freien Durchströmquerschnitts durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist. Die vier Seitenwände, die die Innenwand 4' des Rohres 8 bilden, sind nach innen gewölbt und weisen gemeinsam mit ihrem schraubenförmigen Verlauf eine wesentlich größere Innenfläche auf als bei einem Durchmesser d. Zwischen der strichpunktierten Linie des Durchmessers d und den Ecken des Rohres 8 liegt der Bereich, durch den bei Eintritt das Abgases in das Rohr eine Dralleinleitung erfolgt und der im weiteren Verlauf des Rohres die Umwälzung des durchströmenden Abgases bewirkt. Dieser viereckige Querschnitt des Rohres 8 hat den weiteren Vorteil, daß durch dieses Profil das Widerstandsmoment gegen unerwünschtes Durchbiegen erhöht wird.

In Fig. k ist der Querschnitt durch ein ebenfalls aus vier Seitenwänden bestehendes Rohr 8' ersichtlich, dessen Seitenwände jedoch nach außen gewölbt sind. Bei dieser Ausführung ergibt sich ein größerer freier Durchströmquerschnitt als bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Querschnitt weist das Rohr 9 einer Abgasleitung ein kleeblattförmiges Profil auf und besteht beispielsweise aus drei in Längsrichtung geteilten Rohrhälften 9a, die

030027/0107

schraiibenf örmig gewendelt entlang ihrer Trennfuge gemeinsam verschweißt sind. Auch bei dieser Ausführung dient der zwischen dem Durchmesser d des freien Durchströmquerschnittes und den Wölbungen der Rohrhälften 9a liegenden Bsreich zur Dralleinleitung und Umwälzung des durchströmenden Abgases, welches wie bei den vorgenannten Beispielen zur Umwandlungsreaktion dadurch vollständig an die katalytische Schicht k' gelenkt wird.

Je nach Größe der Steigung, Anzahl der Seitenwände und Wendel, sowie der Wellentiefe kann eine Turbulenz zur Erzielung einer Umwandlungsreaktion entweder durch eine von Wellen verursachte stärkere Verwirbelung oder eine von dem Drall verursachte stärkere Umwälzung der durch die Abgasleitung .strömenden Abgase erreicht werden. Dagegen wird bei einer größeren oder kleineren, von der Erfindung abweichenden Steigung nicht die für eine annähern! vollständige Umwandlungsreaktion erforderliche Turbulenz wirksam. Bei einer solchen Abweichung kann sogar die Wirkung eintreten, daß beispielsweise in einem Drall aus der Brennkraftmaschine austretendes Abgas durch eine größere Steigung des Wendeis unter Beibehaltung seiner Drallbewegung die Abgasleitung durchströmt, ohne umgewälzt oder verwirbelt zu werden.

Selbstverständlich sind mehrere Abwandlungen der gezeigten Ausführung sbei spiele möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So kann die Steigung S bzw. S¹ der Wendel beispielsweise rechts- oder linksgängig sein. Ebenso ist es möglich, daß das Rohr entgegen der gezeigten Darstellungen vo*i zwei gleichartig geformten Streifen bzw. Seitenwänden gebildet wird, also einen zweigängigen Wendel aufweist.

11. Dezember 1978
N/GLP, Co/tk

050027/0107

Leerseite

Claims

AUDI NSU AUTO UNION AKTIENGESELLSCHAFT, Neckarsulm/Wiirtt.

Abgasleitung für eine Brennkraftmaschine

Patentansprüche

Abgasleitung für eine Brennkraftmaschine, die aus einem wärmeisolierten, von Abgas durchströmten Rohr besteht und auf ihrer Innenwand eine katalytisch wirksame Schicht aufweist, d a durch ge kennzeichnet , daß das Rohr (3₅Ö, 9) eine schraubenförmig gewendelte Innenwand (k, k') mit einer Steigung (S, S') aufweist, welche das 0,2 bis 10-fache des Durohmessers (d) des freien Durchströmquerschnittes des Rohres (3₅ 8, 9) beträgt.
2. Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (k) des Rohres aus mindestens einem im Querschnitt gewendelten Streifen besteht und eine Steigung (S) aufweist, die das 0,2 bis 1-fache des Durchmessers (d) des freien Durchströmquerschnitts des Rohres (3) betragt.

3- Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (8) einen viereckigen Querschnitt aufweist.

k. Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dns Rohr (9) einen Querschnitt in Form eines Kleeblattes aufweist.

830027/0107