DE3826364A1 - Verzweigte abgasleitung einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine verzweigte Abgasleitung einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind mit Abgas-Katalysatoren versehene Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen bekannt geworden, bei welchen sich stromab der Verzweigung ein über einen ersten Zweig mit der Abgasleitung verbundener, relativ kleindimensionier­ ter Start-Katalysator befindet, während ein zweiter Zweig direkt zu einem für einen hohen Massendurchsatz ausgelegten Dauerbetriebs-Katalysator führt. Ferner ist beim bekannten Stand der Technik im Bereich der Ver­ zweigung eine schwenkbare Klappe angeordnet, welche in Abhängigkeit von ihrer Stellung den Abgasstrom in den ersten bzw. zweiten Zweig der Abgasleitung lenkt. Vorgesehen ist diese Anordnung, um nach einem Start der Brennkraftmaschine möglichst kurzfristig eine erfolg­ reiche Konvertierung schädlicher Abgasbestandteile zu erzielen. Da Katalysatoren zur Ausübung ihrer Funktion eine gewisse Minimaltemperatur aufweisen müssen, wird zunächst das gesamte Abgas über den Start-Katalysator geleitet, welcher sich aufgrund seines geringeren Bauvolumens deutlich schneller erwärmt als der wesent­ lich großvolumigere Dauerbetriebs-Katalysator. Um jedoch im Dauerbetrieb eine Überhitzung des Start-Katalysators zu vermeiden, wird durch Umlegen der Klappe der dann zumeist auch größere Abgasmassenstrom unter Umgehung des Start-Katalysators direkt dem stromab der Zusammenfüh­ rung beider Leitungszweige angeordnetem Dauerbetriebs- Katalysator zugeführt.

Funktional haben sich derartige verzweigte Abgasleitun­ gen zwar bewährt, in der technischen Ausführung können sich jedoch Probleme ergeben. So läßt sich oftmals ein Festfressen der Klappe in einer der beiden Klappen­ stellungen trotz aufwendigster Lagerung und Führung aufgrund der teilweise aggressiven Abgasbestandteile nicht vermeiden. Auch ist der Ansteuerungsmechanismus für eine derartige Klappe äußerst aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine im Aufwand deutlich reduzierte Abgasleitung der im Oberbegriff des ersten Anspruchs angegebenen Art aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst, vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen beschreiben die Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist das Leitelement - so beispielsweise die oben beschriebene Klappe inklusive ihres Betäti­ gungsgestänges - an zwei unter Wärmedehnungseinfluß relativ zueinander bewegbare Teile der Abgasleitung angekoppelt. Diese ist üblicherweise ohnehin mehrteilig ausgeführt und ineinander verschiebbar aufgebaut, um die sich innerhalb des großen Betriebstemperatur-Bereiches einstellenden verschiedenartigen Wärmedehnungen auszu­ gleichen. Diese Wärmedehnungen nun werden zur selbst­ tätigen Betätigung des Leitelementes herangezogen. Die in der Praxis auftretenden Verschiebewege der Abgaslei­ tungen von bis zu 20 mm werden durch entsprechende Ankoppelung des Leitelementes genutzt, um dieses wie gewünscht zu positionieren. Unter den Begriff eines Abgasleitungsteiles fällt dabei im weitesten Sinne auch die Brennkraftmaschine selbst. Beispielsweise kann an letztere das Betätigungsgestänge für die in einem weiteren Abgasleitungsteil gelagerte Klappe angebunden sein. Eine Verschiebebewegung durch Wärmedehnung führt somit zu einer Betätigung der Klappe.

Bei kalter Abgasanlage sowie kaltem Start-Katalysator lenkt bei geeigneter Auslegung dabei das Leitelement die Abgase vorrangig in den den Start-Katalysator enthal­ tenden Leitungszweig, während bei hohen Abgastempera­ turen und somit auch hohen Temperaturen der gesamten Abgasleitung das Leitelement unter Einfluß der Wärme­ dehnungen eine die Abgase vorrangig in den Bypass-Lei­ tungszweig führende Position einnimmt. Aufwendige Ansteuerungsmechanismen zur Betätigung des Leitelementes können somit ersatzlos entfallen.

Anspruch 2 gibt eine unter geringem baulichen Aufwand realisierbare Ausbildung an, welche auf optimale Weise die gegeneinander gerichtete Relativbewegung des Krüm­ merrohres sowie des Abgasrohres zur Bewegung bzw. posi­ tionierung des Leitelementes nutzt. Neben der einfach zu fertigenden Ausbildung gemäß Anspruch 3 ergibt sich eine weitere bauliche Vereinfachung mit den Merkmalen des vierten Patentanspruches. Aufwendige Rohrverzweigungen mit der Gefahr von Undichtigkeiten werden hierdurch vermieden. Auch zeichnet sich diese Anordnung durch einen äußerst geringen Bauraum aus. Wenngleich bei einer derartigen Anordnung der Katalysator bzw. der Start- Katalysator entweder im inneren oder im äußeren Lei­ tungszweig vorgesehen sein kann, so empfiehlt es sich doch, den dann ringförmig gestalteten Katalysator im zweiten Leitungszweig anzuordnen, da hierdurch zum einen eine Überhitzungsgefahr durch bessere Wärmeabgabe an die Umgebung weiter verringert wird und zum anderen dieser zweite Leitungszweig aufgrund der mehrfachen Strömungs­ umlenkung einen höheren Strömungswiderstand aufweist. Diese Tatsache begünstigt vorteilhafterweise eine baldige Erwärmung des Start-Katalysators, während im ersten Leitungszweig eine unter strömungsdynamischen Gesichtspunkten optimierte Abgasführung zu dem stromab der Zusammenführung des inneren sowie des äußeren Rohres angeordneten Dauerbetriebs-Katalysator bei hohem Mas­ sendurchsatz möglich ist.

Die Ansprüche 5 und 6 beschreiben vorteilhafte Ausge­ staltungen des die Aufteilung des Abgasstromes vorneh­ menden Leitelementes. Überhaupt kein zusätzliches Bauteil ist erforderlich, wenn ein Eintritts-Wandbereich des inneren Rohres mit einem Bereich erweiterten Durch­ messers des äußeren Rohres den Eintrittsquerschnitt des zweiten Leitungszweiges bildet. Allein durch gegensei­ tige Verschiebung der beiden Rohre ist somit der Ein­ trittsquerschnitt wie gewünscht variierbar. Daneben läßt sich jedoch auch der in den ersten Leitungszweig ein­ tretende Abgasstrom mengenmäßig beeinflussen, wenn hierzu ein Eintrittswandbereich des inneren Rohres mit einem an das äußere Rohr innerhalb dessen angebundenem Umlenkkörper zusammenwirkt. Auch dieser Umlenkkörper kann dabei vorteilhafterweise ein starr angebundenes Bauelement darstellen; die Veränderung des Eintritts­ querschnittes des inneren Rohres erfolgt allein durch Relativbewegung der beiden Rohre gegeneinander. Unter strömungsdynamischen Gesichtspunkten ist es dabei besonders vorteilhaft, die relevanten Wandbereiche gemäß Anspruch 7 konisch auszubilden, da hiermit schlagartige Durchmesseränderungen, welche einer günstigen Abgas­ strömung hinderlich wären, vermieden werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier bevor­ zugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im Hinblick auf die Rotationssymmetrie zeigt die obere Hälfte der Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Abgasleitung gemäß Anspruch 4 bei Beaufschlagung des Bypass-Leitungszwei­ ges, während die untere Hälfte dieser Figur diese Abgasleitung bei Beaufschlagung des Start-Katalysators zeigt. Fig. 2 stellt eine Abgasleitung gemäß Anspruch 3 dar.

Von einer Brennkraftmaschine 1 wird das Abgas über eine in ihrer Gesamtheit mit 2 bezeichnete Abgasleitung sowie über einen Dauerbetriebs-Katalysator 3 in die Umgebung abgeführt. Da letzterer für eine erfolgreiche Konver­ tierung schädlicher Abgasbestandteile eine gewisse Minimaltemperatur benötigt, diese jedoch aufgrund seiner großen Masse erst eine gewisse Zeit nach einem Start der Brennkraftmaschine erreicht, ist zusätzlich nahe der Brennkraftmaschine ein sog. Start-Katalysator 4 mit geringerem Bauvolumen vorgesehen. Da dieser jedoch nicht in der Lage ist, im bereits erwärmten Zustand den gesamten anfallenden Abgasstrom aufzunehmen - hierdurch würde der Start-Katalysator aufgrund hoher Temperatur­ spitzen zerstört werden -, ist dieser Start-Katalysator 4 in einem zweiten Leitungszweig 5 der Abgasleitung 2 angeordnet, welcher unter Einfluß eines Leitelementes abgesperrt werden kann. In diesen Fällen strömt das Abgas unter Umgehung des Start-Katalysators 4 über einen ersten Bypass-Leitungszweig 6 direkt zum Dauerbetriebs- Katalysator 3.

Erfindungsgemäß erfolgt die gezielte Lenkung bzw. Aufteilung des Abgasstromes unter Einfluß der Wärme­ dehnung der Abgasleitung 2. Diese ist dazu geteilt ausgeführt und besteht aus einem im Bereich seiner Eintrittsöffnung an die Brennkraftmaschine angebundenen Krümmerrohr 8, sowie einem sich daran anschließenden Abgasrohr 10. Der Übergang vom Krümmerrohr 8 in das Abgasrohr 10 erfolgt im Bereich einer sog. Kupplungs­ stelle 12, innerhalb derer sich im ersten Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 1 das Krümmerrohr und das Abgasrohr bereichsweise voneinander beabstandet überdecken. Zur sicheren Abdichtung ist ein mit 13 bezeichneter mit dem Krümmerrohr 8 sowie dem Abgasrohr 10 verschweißter Metallbalg vorgesehen.

Im Bereich der Überdeckung unter gegenseitigem Abstand findet sich somit der vom inneren Rohr (Abgasrohr 10) gebildete erste Leitungszweig 6, sowie der von der Außenwand dieses Abgasrohres 10 sowie dem erweiterten Krümmerrohr 8 begrenzte zweite Leitungszweig 5, inner­ halb dessen auch der ringförmige Start-Katalysator 4 angeordnet ist.

Die Zusammenführung der beiden Leitungszweige 5, 6 erfolgt stromab des Start-Katalysators 4 durch mehrere nutförmige Übertrittsöffnungen 14 in der Wandung des inneren Rohres. Ferner weisen die beiden Leitungszweige 5, 6 jeweils eine Eintrittsöffnung 15 bzw. 16 auf, welche vom Eintrittswandbereich 18 des inneren Rohres (Abgasrohr 10) und einem Bereich 20 erweiterten Durch­ messers des äußeren Rohres (Krümmerrohr 8) bzw. dem Eintrittswandbereich 18 sowie einem Umlenkkörper 22 begrenzt werden. Dieser Umlenkkörper 22 ist über Stege 23 an der Innenwand des Krümmerrohres 8 (äußeres Rohr) angebunden.

Wie bereits oben erwähnt ist das Krümmerrohr 8 im Bereich seiner Eintrittsöffnung an die Brennkraftma­ schine angebunden, während das Abgasrohr 10 mittels eines lediglich schematisch gezeigten Halters 24 mit einem von der Kupplungsstelle 12 entfernten Bereich 26 an der Brennkraftmaschine 1 angebunden ist. Die sich unter Temperatureinfluß einstellenden Wärmedehnungen der beiden Rohre können durch gegenseitige Verschiebung in Leitungs-Längsrichtung im Bereich der Kupplungsstelle 12 ausgeglichen werden. Zugleich werden diese Verschiebe­ bewegungen dazu genutzt, die Öffnungsquerschnitte der Eintrittsöffnungen 15 bzw. 16 zu verändern. Zur näheren Erläuterung zeigt die obere Bildhälfte den Zustand bei vollständig erwärmter und somit bereits ausgedehnter Abgasleitung 2. Unter Einfluß der Längenausdehnung von Krümmerrohr 8 und Abgasrohr 10 liegt der Eintrittswand­ bereich 18 des Abgasrohres 10 am Bereich 20 erweiterten Durchmessers des Krümmerrohres 8 an, so daß die Ein­ trittsöffnung 15 vollständig geschlossen ist. Der gesamte Abgasstrom gelangt somit über die Eintritts­ öffnung 16 in den ersten Leitungszweig 6, von wo aus er direkt dem Dauerbetriebs-Katalysator 3 zugeführt wird.

Den Zustand bei kalter Abgasleitung 2 zeigt die untere Bildhälfte. Hier hat noch keine Wärmedehnung der beiden Rohre stattgefunden, so daß der Eintrittswandbereich 18 am Umlenkkörper 22 anliegt. Somit ist die Eintritts­ öffnung 16 verschlossen, die Eintrittsöffnung 15 jedoch vollständig geöffnet. In diesem Zustand gelangt der gesamte Abgasstrom über den zweiten Leitungszweig 5 zunächst zum Start-Katalysator 4 und von hier aus über die nutförmigen Übertrittsöffnungen 14 in das Abgasrohr 10, über welches das Abgas abermals dem Dauerbetriebs- Katalysator 3 zugeführt wird.

Wie bereits erläutert erfolgt die Umschaltung vom ersten Leitungszweig 6 auf den zweiten Leitungszweig 5 bzw. die entsprechende Ansteuerung der Öffnungsquerschnitte der Eintrittsöffnungen 15 und 16 selbsttätig in Abhängigkeit von den in der Abgasleitung 2 herrschenden Temperaturen. Erwünschtermaßen erfolgt bei kalter Abgasleitung zu­ nächst die Abgasführung über den Start-Katalysator, wodurch dessen schnelle Aufheizung und somit eine baldige Konvertierung schädlicher Abgasbestandteile erreicht wird. Hat sich jedoch die gesamte Abgasleitung 2 in einem solchen Maße erwärmt, daß auch der Dauerbe­ triebs-Katalysator 3 seine erforderliche Reaktionstem­ peratur erreicht hat, so bewirken die durch die Erwär­ mung verursachten Wärmedehnungen, daß das Abgas vor­ rangig über den ersten Leitungszweig 6 unter Umgehung des Start-Katalysators 4 direkt dem Dauerbetriebs-Kata­ lysator 3 zugeführt wird. Selbstverständlich können neben den beiden gezeigten Positionen des Eintritts­ wandbereiches 18 bezüglich des Bereiches 20 des erwei­ terten Durchmessers bzw. bezüglich des Umlenkkörpers 22 auch noch sämtliche Zwischenpositionen eingenommen werden. Bei gezielter Auslegung der geometrischen Verhältnisse ist es somit möglich, stets nur den jeweils erforderlichen Abgas-Teilstrom über den Start-Kataly­ sator 4 zu leiten.

Der Eintrittswandbereich 18 des inneren Rohres sowie der Umlenkkörper 22 und der Bereich 20 des erweiterten Durchmessers des äußeren Rohres sind dabei unter strö­ mungsdynamischen Gesichtspunkten konisch ausgebildet. Der Start-Katalysator 4 ist im gezeigten Ausführungs­ beispiel zwischen dem inneren sowie dem äußeren Rohr angeordnet, um eine verbesserte Abkühlung gegenüber der Umgebung zu erzielen. Dies sowie weitere Einzelheiten können jedoch auch abgeändert werden.

So zeigt beispielsweise Fig. 2 ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel, wobei für die bereits erläuterten Bau­ elemente gleiche Bezugsziffern verwendet sind. Dabei ist der Eintrittswandbereich 18 des inneren Abgasrohres 10 in der den ersten Leitungszweig 6 absperrenden Position in durchgezogenen Linien dargestellt, während mit strich-punktierten Linien die den zweiten Leitungszweig 5 absperrende Lage gezeigt ist. Bei diesem Ausführungs­ beispiel ist der Umlenkkörper 22 im Sinne einer ver­ einfachten Fertigung aus der Wand des Krümmerrohres 8 herausgearbeitet. Auch derartige konstruktive Details sind jedoch einfach abänderbar.

Wesentlich ist vielmehr der allgemeine Erfindungsge­ danke, wonach ein Leitelement zur Aufteilung des Ab­ gasstromes auf einen Leitungszweig mit einem Katalysator sowie auf einem Bypass-Leitungszweig zur temperaturab­ hängigen Positionierung an zwei unter Wärmedehnungs­ einfluß relativ zueinander bewegbare Teile der Abgas­ leitung angekoppelt ist, um die Ansteuerung dieses Leitelementes deutlich einfacher zu gestalten und den erforderlichen Bauaufwand zu minimieren.

Claims (7)

1. Verzweigte Abgasleitung einer Brennkraftmaschine mit einem Leitelement zur temperaturabhängigen Aufteilung des Abgasstromes auf einen Leitungszweig mit einem Katalysator sowie auf einen Bypass- Leitungszweig, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement zur temperaturabhängigen Positionierung an zwei unter Wärmedehnungseinfluß relativ zueinander bewegbare Teile der Abgasleitung angekoppelt ist.

2. Abgasleitung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein im Bereich seiner Ein­ trittsöffnung an die Brennkraftmaschine (1) ange­ bundenes, ein erstes Teil der Leiteinrichtung tragendes Krümmerrohr (8), dessen freies Ende in einer eine Verschiebung in Leitungs-Längsrichtung ermöglichenden Kupplungsstelle (12) in ein ein weiteres Teil der Leiteinrichtung tragendes Ab­ gasrohr (10) mündet, von welchem ein von der Kupplungsstelle entfernter Bereich (26) an der Brennkraftmaschine angebunden ist.

3. Abgasleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Kupp­ lungsstelle (12) das Krümmerrohr (8) als äußeres Rohr das zweiflutig ausgebildete innere Abgasrohr (10) umschließt, dessen beide Leitungszweige (5, 6) stromab des in einem dieser Zweige angeordneten Katalysators (4) zusammengeführt sind.

4. Abgasleitung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß sich innerhalb der Kupplungsstelle (12) das Krümmerrohr (8) und das Abgasrohr (10) bereichsweise voneinander beabstan­ det überdecken, so daß der erste Leitungszweig (6) vom inneren Rohr und der zweite Leitungszweig (5) von dem zwischen den beiden Rohren befindlichen Zwischenraum gebildet ist,
daß innerhalb dieses Überdeckungsbereiches in einem der beiden Leitungszweige der Katalysator (4) angeordnet ist,
und daß die beiden Leitungszweige stromab des Katalysators (4) durch zumindest eine Übertritts­ öffnung (14) in der Wand des inneren Rohres zu­ sammengeführt sind.

5. Abgasleitung nach einem der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eintrittswandbe­ reich (18) des inneren Rohres mit einem Bereich (20) erweiterten Durchmessers des äußeren Rohres das in Abhängigkeit von der Rohr-Wärmedehnung den Eintrittsquerschnitt des zweiten Leitungszweiges (5) bestimmende Leitelement bildet.

6. Abgasleitung nach einem der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eintrittswandbe­ reich (18) des inneren Rohres mit einem im Inneren des äußeren Rohres angeordneten Umlenkkörper (22) das in Abhängigkeit von der Rohr-Wärmedehung den Eintrittsquerschnitt des ersten Leitungszweiges (6) bestimmende Leitelement bildet.

7. Abgasleitung nach einem der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittswandbe­ reich (18) des inneren Rohres und/oder der Um­ lenkkörper (22) innerhalb dieses Bereiches und/oder der Bereich (20) erweiterten Durchmessers des äußeren Rohres konisch geformt sind.