DE102005025731A1 - Abgasführung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasführung (1, 25) einer Brennkraftmaschine, wobei die Abgasführung (1, 25) zumindest einen im Zylinderkopf (2, 29) der Brennkraftmaschine verlaufenden Abgaskanal (3, 28) und eine sich an den Zylinderkopf (2, 29) austrittsseitig anschließende Abgasanlage (4, 24) enthält, wobei im Abgaskanal (3, 28) zumindest über den Bereich des Abgasaustritts (16) hinweg ein luftspaltisoliertes Organ angeordnet ist. Um in einfacher Weise die Wärmeisolierung des Abgases zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass das Organ ein dünnwandiger hülsenförmiger Einsatz (15) ist, der im Abgaskanal (3) befestigt ist und Mittel aufweist, durch die der Einsatz (15) radial von der Kanalwandung (19) beabstandet ist. Alternativ kann das Organ durch ein frei in den Abgaskanal (28) ragendes Abgasrohr der Abgasanlage (24) gebildet sein, wobei der Abgaskanal (28) in dem Bereich (32), in den das Abgasrohr hineinragt, unter Ausbildung eines stufigen Absatzes (30) erweitert ist, und dass das Organ den Absatzrand (31) radial nach außen umlaufend überdeckt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Abgasführung einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Eine gattungsgemäße Abgasführung ist durch die DE 100 540 06 A1 bekannt. Dort ist eine Abgasführung einer Brennkraftmaschine beschrieben, die eine besonders gute Wärmeisolierung aufweisen soll. Die Abgasführung beinhaltet dabei mehrere im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine verlaufende Abgaskanäle sowie eine an den Zylinderkopf austrittsseitig sich anschließende Abgasanlage. Zur Wärmeisolierung ist zum einen die Abgasanlage durch eine Innenschalen- und Außenschalenkonstruktion luftspaltisoliert ausgeführt. Zum anderen ragt jeweils ein rohrförmiger Stutzen der Innenschalenkonstruktion in den jeweils zugeordneten Abgaskanal des Zylinderkopfes hinein, wobei der Abgaskanal in den Bereich in den der jeweilige Stutzen hineinragt, erweitert ist. Im erweiterten Abgaskanal ist in einer Ringnut ein ringförmiges Dichtelement eingelassen, das den Abgaskanal nach außen gasdicht abdichtet und das den Rohrstutzen, der das Dichtelement durchragt, radial führt. Das Dichtelement bildet bei der bekannten Abgasführung eine Wärmebrücke, über die die Abgaswärme teilweise auf das Material des Zylinderkopfes wieder übertragen werden kann. Durch die bekannte Wärmeisolierung wird ein relativ frühes Anspringen eines in der Abgasanlage integrierten Katalysators erreicht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gattungsgemäße Abgasführung dahingehend weiterzubilden, dass in einfacher Weise die Wärmeisolierung des Abgases noch weiter verbessert wird.
• Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 einerseits und durch die Merkmale des Patentanspruches 2 andererseits gelöst.
• Durch die Ausbildung des luftspaltisolierten Organs als dünnwandiger hülsenförmiger Einsatz kann dieser bei der Montage des Zylinderkopfes in einfacher Weise in dessen Abgaskanal hineingeschoben und anschließend in diesem befestigt werden. Die Beabstandung des hülsenförmigen Einsatzes von der Kanalwandung erfolgt durch Mittel, die mit geringem Aufwand an diesem ausgebildet oder angeordnet sind. Hierbei sind beispielsweise dünne Ringe denkbar, die auf den Einsatz aufgepresst oder aufgeschoben und dann an diesem befestigt werden. Die Ringe bestehen aus einem hochtemperaturfesten Material, beispielsweise aus Federstahl. Es ist dabei darauf zu achten, dass nur wenige dieser Ringe verwandt werden und diese in möglichst großem axialem Abstand auf dem Einsatz angeordnet werden, damit Wärmebrücken zur Abgaskanalwandung möglichst gering gehalten werden. Gleichfalls ist es denkbar, dass an dem Einsatz radial abragende Stege angeformt sind, die am Anfang und am Ende des Einsatzes ausgebildet sind und deren Länge die Breite des Luftspaltes definieren. Zur Befestigung des Einsatzes im Abgaskanal kann der Einsatz in höchst einfacher Weise eingepresst werden, was die Voraussetzung hat, dass die Mittel zur Beabstandung von der Abgaskanalwandung elastische Eigenschaften besitzen. Weiterhin ist es denkbar, den Einsatz abgasaustrittsseitig mit seinem Beabstandungsmittel an der Abgaskanalwandung anzuschweißen. Des Weiteren ist es denkbar, die als Stege ausgebildeten Beabstandungsmittel für eine Clipsverbindung zu nutzen, bei der die Abgaskanalwandung entsprechend präpariert werden muss, so dass die Stege einen Absatz der Wandung hintergreifen können. Des Weiteren sind auch Rastverbindungen des Einsatzes im Abgaskanal denkbar.
• Um zu vermeiden, dass der Luftspalt von den Abgasen durchströmt wird, ist die Ausbildung der Beabstandungsmittel so zu wählen, dass diese auf Eintrittsseite des Einsatzes den Luftisolierspalt verschließen. Auf Abgasaustrittsseite des Einsatzes ist es zur Minimierung von Wärmebrücken günstig, den Luftspalt offen zu gestalten und die Stege, die die Beabstandungsmittel bilden, als einzelne Arme auszubilden. Auf Grund dessen, dass mit der Erfindung gemäß Anspruch 1 sehr dünne Beabstandungsmittel realisierbar sind, ist der Wärmeübertrag des heißen Abgases auf die Abgaskanalwandung sehr gering, wodurch die Wärmeisolierung des Abgases erheblich verbessert wird und ein Anspringen des Katalysators zu einem sehr frühen Zeitpunkt nach Kaltstart somit erreicht wird. Zur Minimierung des Wärmeübertrags ist es des Weiteren förderlich, wenn die Wandung des hülsenförmigen Einsatzes selbst sehr dünn ausgebildet wird. Da der Einsatz ein separates Bauteil in der Gasführung der Brennkraftmaschine und damit unabhängig vom Zylinderkopf und der Abgasanlage ist sowie keine anderen Funktionen besitzt, an die besondere Stabilitätsanforderungen an den Aufbau des Einsatzes geknüpft sind, ist die Dünnwandigkeit des Einsatzes ohne Weiteres realisierbar. Die Dünnwandigkeit des Einsatzes erbringt zusätzlich den Vorteil, dass der Einsatz biegeelastische Eigenschaften erhält, durch die der Einsatz weiter in den Abgaskanal hineingeschoben werden kann. Hierbei passt sich der Einsatz im axialen Formverlauf Biegungen des Abgaskanals weitgehend an. Der Einsatz kann dabei sehr nahe an die Brennkammer des Zylinderkopfs herangeführt werden, wodurch das Abgas sehr kurz nach dem Austritt aus der Brennkammer durch den Luftspalt des Einsatzes wärmeisoliert wird, was den Wärmeverlust über die Wärmeleitung zur Kanalwandung enorm reduziert und somit den Zeitpunkt des Anspringens des Katalysators drastisch verkürzt. Die Erstreckung des Einsatzes kann so gewählt werden, dass diese von nahe der Brennkammer bis zum Abgasaustritt aus dem Zylinderkopf reicht.
• Als Alternative zum erwähnten Einsatz ist erfindungsgemäß nach Anspruch 2 das Organ durch ein frei in den Abgaskanal ragendes Abgasrohr der Abgasanlage gebildet, wobei der Abgaskanal in dem Bereich, in den das Abgasrohr hineinragt, unter Ausbildung eines stufigen Absatzes erweitert ist, wobei dessen Rand vom Abgasrohr radial nach außen umlaufend überdeckt wird. In dieser Variante wird ein bei der Abgasführung bereits vorhandenes Bauteil verwendet, um die Luftspaltisolierung zu bilden. Dadurch werden zusätzliche Bauteile zur Erstellung der Luftspaltisolierung eingespart. Indem das Abgasrohr frei in den Austrittskanal hineinragt, gibt es innerhalb des Zylinderkopfes über den Bereich des luftspaltisolierten Organes, also des Abgasrohres, keine Wärmebrücken, so dass das Anspringverhalten des Katalysators in der Abgasführung der Brennkraftmaschine verbessert wird. Des Weiteren wird dadurch erreicht, dass bei entsprechender Dimensionierung des Luftspaltes im Motorbetrieb auftretende Wärmedehnungen des Abgasrohres kontakt- und schadensfrei aufgenommen werden können ohne dafür großen Aufwand zu betreiben. In Folge dessen, dass der Abgaskanal in dem Bereich, in den das Abgasrohr hineinragt, eine mit einem stufigen Absatz versehene Erweiterung aufweist und dass das Abgasrohr den Absatzrand radial nach außen umlaufend überdeckt, wird verhindert, dass ein Abgasteilstrom am Abgasrohr vorbei in den Luftspalt geleitet wird, was die Luftspaltisolierung verringern würde. Von dem Abgasrohr wird also der gesamte Abgasstrom erfasst, wobei das Abgasrohr durch seine Überdeckung der Abgasströmung keinen Widerstand bietet, der zu einem Abgasrückstau führen würde, welcher die Motorleistung herabsetzen würde. Des Weiteren ist durch die Überdeckung die Gasdichtheit am Zylinderkopf gewährleistet. Zur Überdeckung ist der Innendurchmesser des Abgasrohres größer gestaltet als der Durchmesser des Abgaskanales im nicht-erweiterten Bereich.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der letztgenannten erfindungsgemäßen Variante nach Anspruch 3 ist das Abgasrohr ein bezüglich der restlichen Abgasanlage separates Bauteil, welches an der dem Zylinderkopf zugewandten Seite eines Befestigungsflansches für die Abgasanlage angebracht ist. Zwar bedeutet dies für den Gesamtzusammenbau der Abgasführung eine Vermehrung der Teilevielfalt, jedoch wird trotzdem die Herstellung der Anlage vereinfacht, da der Flansch mit dem separaten Abgasrohr als vormontierte Baueinheit bereitgestellt werden kann, wobei das nachfolgende Abgasrohr in einfacher und bekannter Weise am Flansch befestigt werden kann. Dies wirkt sich insbesondere günstig bei der sich an den Flansch anschließenden Ausbildung eines Abgaskrümmers mit Innenhochdruckumformtechnik aus, da die Ausziehlänge der mit dem Flansch zu verbindenden Rohrenden des Krümmers gering bleiben kann, was der Prozesssicherheit des Herstellungsverfahrens zugute kommt. Das separate Abgasrohr ist in dieser Version an der Rückseite des Befestigungsflansches unter Ausbildung einer Rundnaht angeschweißt.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 ist die Luftspaltisolierung durch die Beabstandung des Abgasrohres von der Wandung des Abgaskanals gebildet. Dies stellt die einfachste Form der Luftspaltisolierung dar, da für deren Realisierung lediglich das Abgasrohr und die Kanalwandung von Nöten sind. Die Bauteilvielfalt ist dadurch minimal. Alternativ kann das in den erweiterten Abschnitt des Abgaskanals hineinragende Abgasrohr aus einem Innenrohr und einem Außenrohr bestehen, die voneinander radial beabstandet sind und dadurch einen Luftspalt ausbilden.
• In einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 ist das Abgasrohr ein Innenrohr einer zumindest teilweise luftspaltisolierten Abgasanlage, die mit einem Flansch an der Außenseite des Zylinderkopfes befestigt ist, wobei das Innenrohr sich durch den Flansch hindurch in den Abgaskanal hinein erstreckt. Der Zusammenbau mit dem Befestigungsflansch ist dabei relativ einfach. Hierbei muss nämlich das Innenrohr nur durch den Flansch hindurchgefädelt werden, wonach das Innenrohr mit dem Flansch rückseitig verschweißt wird. Der Außenmantel der luftspaltisolierten Abgasanlage kann vorderseitig am Befestigungsflansch angeschweißt und/oder an der Rückseite des Befestigungsflansches durch Schweißen befestigt sein.
• Bei der rückseitigen Schweißung des Außenmantels ist dieser so auszuführen, dass er mit der Rückseite des Befestigungsflansches bündig abschließt und in der Bohrung des Befestigungsflansches einen Durchmesser aufweist, der es ermöglicht, den Außenmantel in die Bohrung hineinzustecken. Auf Grund der völligen Luftspaltisolierung der Abgasanlage wird der Effekt der Wärmeisolierung des Abgases maximiert, so dass die Anspringzeit des Katalysators noch weiter in erheblichem Ausmaß verkürzt wird.
• Nachfolgend ist die Erfindung an Hand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt:
• 1 in einem seitlichen Längsschnitt eine erfindungsgemäße Abgasführung einer Brennkraftmaschine mit einem luftspaltisolierten hülsenförmigen Einsatz im Abgaskanal,
• 2 in einem seitlichen Längsschnitt eine erfindungsgemäße Abgasführung einer Brennkraftmaschine mit einem das luftspaltisolierten organbildenden Abgasrohr, das in den Abgaskanal der Brennkraftmaschine hineinragt.
• In 1 ist eine Abgasführung 1 einer Brennkraftmaschine dargestellt, wobei die Abgasführung 1 hier stellvertretend für mehrere einen im Zylinderkopf 2 der Brennkraftmaschine verlaufenden Abgaskanal 3 und eine sich an den Zylinderkopf 2 austrittsseitig anschließenden Abgasanlage 4 enthält. Die Abgasanlage 4 ist luftspaltisoliert ausgeführt und besteht aus einem Innenrohr 5 und einem Außenmantel 6, der hier in Schalenbauweise ausgebildet ist und das Innenrohr 5 unter Ausbildung eines Luftspaltes 7 mit Abstand umgibt. Das Innenrohr 5 kann ebenfalls in Schalenbauweise ausgebildet sein; es kann auch, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, einstückig als innenhochdruck-umgeformtes Bauteil gestaltet sein. Die Abgasanlage 4 ist mit einem Befestigungsflansch 8 verbunden, wobei der Außenmantel 6 an der vom Zylinderkopf 2 abgewandten Vorderseite 9 des Befestigungsflansches 8 mit einer Rundnaht 10 angeschweißt ist. Das Innenrohr 5 ist in die zentrale Bohrung 11 des Befestigungsflansches 8 hineingesteckt, so dass das Ende 12 des Innenrohres 5 mit der dem Zylinderkopf 2 zugewandten Rückseite 13 des Befestigungsflansches 8 nahezu bündig abschließt. Das Innenrohr 5 ist an seinem Ende 12 mit der Wandung der Bohrung 11 verschweißt. Es ist in gleicher Weise denkbar, dass der Außenmantel 6 ebenfalls in die Bohrung 11 des Befestigungsflansches 8 hineingesteckt wird, wonach der Außenmantel 6 und das Innenrohr 5 mit der Wandung der Bohrung 11 des Befestigungsflansches 8 gemeinsam in einer Dreistoffschweißung miteinander gasdicht verbunden werden. Dieses Schweißverfahren ist besonders verfahrensökonomisch, da die Befestigung dreier Bauteile aneinander durch einen einzigen Schweißarbeitsgang erfolgt. Der Befestigungsflansch 8 ist mit der angeschweißten Abgasanlage 4 über Schraubendurchgangslöcher 14 an den Zylinderkopf 2 angeschraubt. In den Abgaskanal 3 ist ein luftspaltisoliertes Organ, das als dünnwandiger hülsenförmiger Einsatz 15 ausgebildet ist, hineingeschoben. Dieser Einsatz erstreckt sich vom Abgasaustritt 16 des Zylinderkopfes 2 in Richtung der hier nicht gezeigten Brennkammer der Brennkraftmaschine. Zur Luftspaltisolierung weist der Einsatz 15 an seinem abgasaustrittsseitigen Ende 17 armartige Stege 18 auf, die an der Wandung 19 des Abgaskanals 3 anliegen. Der Einsatz 15 schließt sich unmittelbar an das Ende 12 des Innenrohres 5 an, wobei der Innendurchmesser seines Endes 17 gleichgroß oder kleiner ist als der Innendurchmesser des Innenrohres 5, um die Abgasströmung nicht zu behindern. Am anderen Ende 20 weist der Einsatz 15 einen Ringbund 21 auf, der mit seiner Außenseite 22 an der Kanalwandung 19 gasdicht anliegt. Der brennraumnahe Ringbund 21 und die brennraumfern angeordneten Stege 18 bilden an dem Einsatz 15, an dem sie angeformt oder mechanisch befestigt sind, die Mittel, die den Einsatz 15 radial von der Kanalwandung 19 beabstanden. Durch die Beabstandung bildet sich ein ringförmiger Luftisolierspalt 35 aus, dessen Breite von der Länge der Stege 18 und der radialen Erstreckung des Ringbundes 21 definiert wird. Auf Grund der Dünnwandigkeit des hülsenförmigen Einsatzes 15 erweist sich dieser als derart biegsam, dass sich sein Verlauf beim Einschieben in den Abgaskanal 3 dem Verlauf der Wandung 19 des Abgaskanals 3 anpasst. Durch die Dünnwandigkeit ist der Einsatz 15 sehr leicht und einfach in den Abgaskanal 3 hineinzuschieben. Zur Befestigung des Einsatzes 15 im Abgaskanal 3 kann der Einsatz bei entsprechender Dimensionierung der Stege 18 und des Ringbundes 21 in den Kanal eingepresst werden. Es ist in gleicher Weise denkbar, dass die Stege 18 mit der Wandung 19 am Abgasaustritt 16 angeschweißt sind. Um den Strömungswiderstand des Einsatzes 15 in der Abgasströmung zu verringern, ist es möglich, den Abgaskanal 3 so zu gestalten, dass er unter Ausbildung eines Absatzes bis zum Abgasaustritt 16 hin erweitert ist, wobei das Ende 20 des Einsatzes 15 einen zumindest gleich großen Durchmesser aufweist wie der nicht-erweiterte Abgaskanalabschnitt. Der Einsatz 15 wird mit seinem Ende 20 so nahe an den Absatz herangeführt, dass dieser vom Ende 20 überdeckt wird. Dadurch wird verhindert, dass der Ringbund 21 störend im Wege der Abgasströmung steht.
• In 2 ist eine Variante der Erfindung dargestellt, wobei in Abweichung zum vorgenannten Ausführungsbeispiel das luftspaltisolierte Organ nicht durch einen hülsenförmigen Einsatz 15 sondern durch ein Innenrohr 23 der luftspaltisolierten Abgasanlage 24, die die Abgasführung 25 enthält, gebildet ist. Das Innenrohr 23 ist gegenüber dem Innenrohr 5 verlängert ausgeführt und wird durch den Befestigungsflansch 8 hindurchgefädelt. Beim Durchfädeln des Innenrohres 23 wird der Außenmantel 26 der Abgasanlage 24 in die Bohrung 11 des Befestigungsflansches 8 hineingesteckt und mit seinem dortigen Ende mit diesem sowie mit dem Innenrohr 23 unter Ausbildung einer Rundnaht 27 verschweißt. Nach der Schraubbefestigung der Abgasanlage 24 über den Befestigungsflansch 8 ragt das Innenrohr 23 frei in den Abgaskanal 28 des Zylinderkopfes 29 der Brennkraftmaschine hinein. In dem Bereich 32, in den das Innenrohr 23 frei und ungeführt hineinragt, ist der Abgaskanal 28 unter Ausbildung eines stufigen Absatzes 30 erweitert. Die Anordnung des Innenrohres 23 in diesem Bereich 32 und der Innendurchmesser des Innenrohres 23 ist so gestaltet, dass es den Absatzrand 31 radial nach außen umlaufend überdeckt. Hierdurch wird verhindert, dass das Innenrohr 23 in den Strömungsweg des Abgases hineinragt und dabei dessen Abströmung behindert. Das Innenrohr 23 ist des Weiteren in dem Bereich 32 des Abgaskanals 28, in den es hineinragt, von dessen Wandung 33 radial beabstandet, wodurch sich ein Luftisolierspalt 34 über die gesamte Länge des erweiterten Bereichs 32 ausbildet.
• Es sei an dieser Stelle betont, dass die Abgasanlage 24 nicht zwangsweise eine Luftspaltisolierung erfordert. Ebenso können auch an Stelle des Abgaskrümmers, der sich an den Abgasaustritt der Zylinderköpfe 2 und 29 der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele anschließt, als einzelne von einander unabhängig angeordnete Abgasrohre vorgesehen sein, die über den Befestigungsflansch 8 an den Zylinderkopf 2 bzw. 29 angeschlossen sind.
• Weiterhin ist es denkbar, den in den erweiterten Bereich 32 des Abgaskanals 28 hineinragenden Abschnitt des Innenrohres 23 als bezüglich der restlichen Abgasanlage 24 separates Bauteil auszubilden, welches an der dem Zylinderkopf 29 zugewandten Rückseite 13 des Befestigungsflansches 8 angebracht, vorzugsweise angeschweißt wird.

Claims (5)

1. Abgasführung einer Brennkraftmaschine, wobei die Abgasführung zumindest einen im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine verlaufenden Abgaskanal und eine sich an den Zylinderkopf austrittsseitig anschließende Abgasanlage enthält, wobei im Abgaskanal zumindest über den Bereich des Abgasaustritts hinweg ein luftspaltisoliertes Organ angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Organ ein dünnwandiger hülsenförmiger Einsatz (15) ist, der im Abgaskanal (3) befestigt ist und Mittel aufweist, durch die der Einsatz (15) radial von der Kanalwandung (19) beabstandet ist.
2. Abgasführung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Organ durch ein frei in den Abgaskanal (28) ragendes Abgasrohr der Abgasanlage (24) gebildet ist, wobei der Abgaskanal (28) in dem Bereich (32), in den das Abgasrohr hineinragt, unter Ausbildung eines stufigen Absatzes (30) erweitert ist, und dass das Organ den Absatzrand (31) radial nach außen umlaufend überdeckt.
3. Abgasführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr ein bezüglich der restlichen Abgasanlage (24) separates Bauteil ist, welches an der dem Zylinderkopf (29) zugewandten Rückseite (13) eines Befestigungsflansches (8) für die Abgasanlage (24) angebracht ist.
4. Abgasführung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspaltisolierung durch die Beabstandung des Abgasrohres von der Wandung (33) des Abgaskanals (28) gebildet ist.
5. Abgasführung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr ein Innenrohr (23) einer zumindest teilweise luftspaltisolierten Abgasanlage (24) ist, die mit einem Flansch (8) an der Außenseite des Zylinderkopfes (29) befestigt ist, wobei das Innenrohr (23) sich durch den Flansch (8) hindurch in den Abgaskanal (28) hinein erstreckt.