DE19644707C2 - Abgasleitungssystem für eine mehrzylindrige Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasleitungssystem für mehrzylindrige Kolbenbrennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit einem derartigen Abgasleitungssystem wird dem Abgas auf dem Weg vom Zylinder beispielsweise zu einem Aufladeaggregat in nur geringem Umfang Wärme entzogen. Für die Aufladung steht damit ein höheres Energiepotential zur Verfügung. Ferner wird die Temperatur an der Außenfläche des Abgasleitungssystems in den Bereich der Kühlwassertemperatur der Brennkraftmaschine gesenkt, so daß insbesondere den Anforderungen für unbeaufsichtigten Betrieb Rechnung getragen wird.

Aus der DE 38 15 406 A1 ist ein gattungsgemäßes Abgasleitungssystem bekannt geworden, bei dem zusätzlich die aus den Rohrleitungsstücken gebildete Abgasleitung mittels einer äußeren Wärmeisolierung, beispielsweise in Form von Isoliermatten ausgekleidet ist. Da die Abgasleitung doch verhältnismäßig großen Wärmedehnungen unterworfen ist, die bekanntlich Verspannungen oder gar Zerstörungen innerhalb des Zylinderkopfes hervorrufen können, sind die einzelnen Rohrstücke mittels Steckverbindungen zusammengeführt, so daß relative Axialbewegungen der Rohrstücke möglich sind. Die Montage und Demontage dieses Abgasleitungssystems ist aufwendig, da die Abgasleitung in den Zylinderkopf eingeformt ist.

Die DE 34 45 916 C1 behandelt eine Abgasleitung mit zentral liegenden Rohrabschnitten, deren Länge etwa dem Zylinderabstand der Brennkraftmaschine entspricht. Für die Steckverbindung jeweils zweier Enden benachbarter Rohrabschnitte sind Halteringe vorgesehen, die jeweils die zwei Enden benachbarter Rohrabschnitte luftundurchlässig verbinden. Diese mittels Halteringe verbundenen Rohrabschnitte sind von einem flüssigkeitsgekühlten Gehäuse umgeben, das an der der Brennkraftmaschine abgewandten Seite eine sich etwa über die Länge des Gehäuses erstreckende, mit einem Deckel gasdicht verschließbare Öffnung aufweist, also im wesentlichen über das gesamte Abgasleitungssystem zweistückig aufgebaut ist.

In Abgasleitungssystemen der Anmelderin sind die einzelnen Rohrstücke auch schon gegenseitig mittels verglichen mit den beschriebenen Steckverbindungen zuverlässigeren Dehnungsstücken verbunden worden, so daß sie sich bei Erwärmung frei ausdehnen können. Die einzelnen Rohrstücke und die Dehnungsstücke sind isoliert, wobei die Isolierung beispielsweise aus Steinwolle, einer Lage Aluminium-Folie und eventuell einem Asbesttuch, das mit einem Drahtgewebe abgedeckt ist, besteht. Die Abgasleitung ist mit einem Gehäuse in Form einer Verschalung nach außen abgedeckt.

Ein derartiges Abgasleitungssystem steht natürlich der Forderung nach einer kompakten Bauweise der Brennkraftmaschine entgegen. Die Isolierung der Abgasleitung ist zwar wirkungsvoll, jedoch aufwendig und leider kurzlebig. Außerdem stellen die Dehnungsstücke, sogenannte Dilatationskompensatoren einen beträchtlichen Kostenfaktor für das Abgasleitungssystem dar.

Es sind auch Abgasleitungssysteme bekannt, bei denen die Abgasleitung ohne jede Wärmeisolierung belassen ist und unmittelbar mit Kühlwasser umströmt wird. Dadurch wird das Abgas stark abgekühlt. Dies ist jedoch nur dann von Vorteil, wenn die ganze Brennkraftmaschine von einer Kapsel umschlossen ist und innerhalb dieser Kapsel ein zu hoher, von der heißen Abgasleitung herrührender Temperaturanstieg vermieden werden soll. Wird die Brennkraftmaschine aber mit einem Abgasturbolader ausgestattet, so bringt die verringerte Abgastemperatur einen erheblichen Energieverlust für die Turbine und damit eine Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades der Brennkraftmaschine mit sich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Abgasleitungssystem der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß die heißen Abgase vor Energieverlust weitgehend geschützt sind, daß keine schädlichen Auswirkungen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Elemente des Abgasleitungssystems auftreten, daß eine verglichen mit dem Stand der Technik kostengünstigere Fertigung möglich ist und das Abgasleitungssystem leicht und schnell montiert werden kann, bei Wartungsarbeiten schadhafte Leitungsabschnitte einfach ermittelt und, unter Vermeidung von Dichtungsproblemen, leicht ausgetauscht werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das vorgeschlagene Abgasleitungssystem trotz zuverlässiger Verbindung auf Dehnungsstücke, also vergleichsweise teure Kompensatoren für Wärmeausdehnungen zwischen den einzelnen Abgasleitungsabschnitten verzichten kann. Außerdem kann auch die bisher aufwendige Verschalung der Abgasleitung komplett entfallen. Als ganz besonderer Vorteil kann angesehen werden, daß die Lebensdauer der Isolierung der Abgasleitung konstruktionsbedingt mit der Lebensdauer des Abgasleitungssystems gleichzieht und im Gegensatz zu bisherigen Isolationen wartungsfrei ist. Desweiteren sind als Vorteile verglichen mit dem Stand der Technik kürzere Montagezeiten, eine kompaktere Bauweise und nicht zuletzt ein saubereres Motorbild zu erwähnen.

Im Vergleich zu Abgasleitungen mit direkter Wasserkühlung ist bei dem erfindungsgemäßen Abgasleitungssystem ein erheblich geringerer Abgasenergieverlust und damit ein kaum noch meßbarer Kraftstoffmehrverbrauch gegenüber ungekühlten Abgasleitungen zu verzeichnen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a: Eine Gesamtansicht des Abgasleitungssystems für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine,

Figur: 1b: Eine Ansicht Ib der Gesamtansicht gemäß der Fig. 1a, die das Abgasleitungssystem um 90° um die Längsachse gedreht darstellt,

Fig. 2: eine Teilansicht A1 gemäß Fig. 1 auf den Abschlußdeckel eines abschließenden Abgasleitungsabschnittes,

Fig. 3: einen Längsschnitt S1-S1 gemäß Fig. 1 durch zwei Abgasleitungsabschnitte,

Fig. 4: einen Querschnitt S2-S2 gamäß Fig. 1 durch den Abgasleitungsabschnitt zur Verbindung mit der Turbine eines Abgasturboladers,

Fig. 5: einen Längsschnitt S3-S3 gemäß Fig. 1 durch den Abgasleitungsabschnitt zur Verbindung mit der Turbine eines Abgasturboladers,

Fig. 6 einen versetzt gezeichneten Querschnitt S4-S4 und S5-S5 durch einen Abgasleitungsabschnitt gemäß der Fig. 3,

Fig. 7: eine Teilansicht A2 gemäß Fig. 5 auf die Stirnseite des Austrittskrümmers für den Abgasleitungsabschnitt zur Verbindung mit der Turbine eines Abgasturboladers, in der die Ausführung der Gußform zu sehen ist

Fig. 8 Eine Detailansicht E1 gemäß der Fig. 1a, der Anschlußstelle des Abgasleitungsstückes an einen Abgasturboladers.

Gemäß der Fig. 1a und 1b ist an die Zylinderköpfe 1 einer nicht weiter dargestellten mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine ein Abgasleitungssystem 2 befestigt.

Dieses besteht aus mehreren Abgasleitungsabschnitten 3a, 3b, 3, wobei 3a den das Abgasleitungssystem abschließenden Abschnitt, 3b den das Abgasleitungssystem beginnenden und 3 allgemein die Abschnitte bezeichnet, die jeweils etwa dem Zylinderabstand der Brennkraftmaschine entsprechen.

An der äußeren Stirnseite des das Abgasleitungssystem abschließenden Abschnittes 3a ist ein Abschlußdeckel 4 aufgesteckt (der auch angeschraubt sein Kann), durch diesen die Külwasserkanäle 35a, 35b des Abschlußdeckels 4 und 35c der Gehäuseabschnitte 16 (siehe Fig. 3) mittels eines Kühlwasser- zu/ablaufs 5 mit Kühlwasser gesondert versorgt werden.

Andererseits ist der das Abgasleitungssystem beginnende Abschnitt 3b mit dem Anschlußkanal 32 der Turbine eines nicht gezeigten Abgasturboladers in Form eines Austrittskrümmers 6 verbunden. Diese Verbindung ist mittels eines Dilatationskompensators 7, der an einen Abschlußdeckel 60 an der Stirnseite des Abschnittes 3b angeschraubt ist, hergestellt. In diesen Abschnitt 3b ist im Bereich der beginnenden Krümmung ebenfalls ein Anschluß 8 für einen Kühlwasser- zu/ablauf und ein weiterer Anschluß 29 für eine Abgas- ab/umblaseleitung zum Abführen von Gas aus der Abgas führenden Längskammern 13 eingebracht (siehe auch Fig. 4).

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist für den jeweiligen Zylinderkopfanschluß ein Anschlußflansch 9 vorgesehen, dessen Abgasdurchtritt mit dem entsprechenden in dem jeweiligen Zylinderkopf 1 ausgebildeten Auspuffkanal fluchtet, derart daß eine bezogen auf die Achse des Zylinderkopfes um den Winkel α von ca. 3° angeschrägte Dichtfläche 10 des Anschlußflansch 9 auf dem Auspuffkanal des Zylinderkopfes 1 ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine leichtere Demontage des Zylinderkopfes 1 ermöglicht. Desweiteren ist in etwa tangential vom Außendurchmesser des Abschlußdeckels 4 des abschließenden Abschnittes 3a ausgehend eine Kraftabstützung 11 in Form von angeschraubten Streben des Abgasleitungssystems 2 an der Brennkraftmaschine vorgesehen. Vorteilhafterweise kann selbstverständlich auf der anderen Seite, also für den das Abgasleitungssystem beginnenden Abschnitt eine ähnliche Kraftabstützung an der Brennkraftmaschine vorgesehen werden.

Außerdem sind mit dem Zylinderkopf korrespondierende Planflächen 40a, 40b zur Montage und zur Anbringung einer Montagebrücke als Verdrehsicherung bei einer einzelnen Zylinderkopfdemontage vorgesehen.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch zwei mittels Steckverbindung zusammengesetzte Abgasleitungsabschnitt 3, 3a, die stellvertretend für das gesamte Abgasleitungssystem stehen. Jeder Abschnitt 3, 3a, 3b, ist als Baueinheit in Form eines einstückigen Gußteils hergestellt und umfaßt ein zentral verlaufendes Rohrleitungsstück 12 zur Abgasführung, eine das Rohrleitungstück 12 unter Ausbildung einer ringförmigen Längskammer 13 im Abstand koaxial umgebendes Zwischenwandstück 14, wobei auch mehrere solcher Zwischenwandstücke 14 und daraus baumringartig resultierender Längskammern 13 denkbar wären, einen das Rohrleitungs- 12 und Zwischenwandstück 14 unter Ausbildung einer weitern Längskammer 15 im Abstand koaxial umgebenden, Kühlwasser führenden Gehäuseabschnitt 16 und den Zylinderkopfanschluß 9 in Form eines gekrümmten Teilstückes 17, das das Rohrleitungsstück 12 im Gehäuseabschnitt 16 gleichzeitig zentriert, bzw. abstützt.

Das Zwischenwandstück 14 ist mittels eingegossener, die Wandungen des Gehäuseabschnittes 16, das Zwischenwandstück 14 selbst und bis zum Zylinderkopfanschluß 9 reichender domartiger Stützelemente 33 im Gehäuseabschnitt 16 zentriert (siehe auch Fig. 6).

In axialer Richtung sind auf diese Weise für die Abgase und das zugeführte Kühlwasser durchgehende Kanäle bereitgestellt. Zwischen jeweils der axial benachbarten Stirnseiten 18a, 18b der zusammengesteckten Rohrleitungsstücke 12 und jeweils der entsprechenden Stirnseiten 19a, 19b der Zwischenwandstücke 14 sind Luftspalte 20 und 21 eingeplant, so daß an diesen Stellen Raum für eine Wärmeausdehnung der Gußwände in axialer Richtung der Abschnitte zur Verfügung steht. In vorteilhafter Weise sind Stirnseiten 18a, 18b mit Anschrägungen 50 ausgebildet, die Unstetigkeiten der strömungsführenden Wandung der Rorhrleitungsstücke 12 aufgrund von Wärmeausdehnungen verhindern sollen. Im Gegensatz dazu ist die Verbindung der Gehäuseabschnitte 16 gegen Abgas- und Wasserleckage abgedichtet. Dazu sind die Gußwände der Gehäuseabschnitte beidseitig zylindrisch bearbeitet. Auf der einen Seite 22a sind mit Abstand zum Stirnende innen und außen Umfangsnuten 23, 24 zur Aufnahme von Dichtungsringen 25, 26 in Form von Rund- oder Rechteckringen eingearbeitet und auf der anderen Seite 22b Aufweitungen 27, 28 zum Umfassen der Dichtungsringe 25, 26 und als Einschiebebegrenzung vorgesehen, so daß auch die Gehäuseabschnitte 16 in gewissenen Umfang gegeneinander beweglich sind. Die Luftspalte 20 und 21, sowie die Verbindungsnaht der Gehäuseabschnitte 16 sind vorzugsweise zueinander in der Länge der Abschnitte 3, 3a, 3b versetzt, also nicht übereinander liegend angeordnet.

Damit ist eine hohe Betriebssicherheit des gesamten Abgasleitungssystems erreicht, weil sich jeder Abschnitt 3a, 3b, 3 bei der betriebsbedingten Erwärmung unbehindert durch benachbarte Bauteile frei ausdehnen kann.

Nach erfolgter Verbrennung entweichen die verbrannten Abgase durch die Auslaßventile, die Abgasleitung aus den Rohrleitungsstücken 12 durchströmend zum Abgasturbolader. Dabei wird der Energieverlust durch Wärmeübertragung von der Abgasleitung 12 aus durch Zwischenschaltung mindestens zweier Luftspalte 20, 21 und Längskammern 13, 15, in denen vergleichsweise das Abgas steht, sowie der Energieverlust durch Wärmestrahlung durch Zwischenschaltung mindestens einer Zwischenwand 14 wirksam minimiert, bzw. verhindert.

Fig. 4 verdeutlicht nochmals die Form des Wasser- zu/ablaufs und die Art der Abgasströmung zur Abgas- ab/umblaseleitung. Der Querschnitt durch den Abschnitt 3b zeigt den Anschluß 29 für die Abgas- ab/umblaseleitung aus der Längskammer 13 und den Anschluß 8 für einen weiteren Kühlwasser- zu/ablauf (Abschnitt 3a weist den Kühlwasser- zu/ablauf auf der anderen Seite des Abgasleitungssystems auf).

Desweiteren zeigt die Fig. 5 den Abschnitt 3b, der mit dem Anschlußkanal 32 des Abgasturboladers verbunden ist, als gekrümmtes Teilstück, das ebenfalls als einstückiges Gußbauteil hergestellt ist. Das Ausführungsbeispiel zeigt den Abschnitt 3b als einstückiges Gußteil. Als Variante könnte dieser Abschnitt 3b auch derart gebildet werden, daß an einen beliebigen Abschnitt 3 ein Anschlußkrümmer für den Abgasturbolader, der ebenfalls als einstückiges Gußteil gefertigt sein kann, angeflanscht ist.

Fig. 6 zeigt einen versetzt gezeichneten Querschnitt längs der Linie S4-S4 und S5-S5 gemäß der Fig. 3 durch einen Abschnitt 3, bzw. 3a, beispielsweise 3a, der die Form des Gußstückes aufzeigt, in dem das Zwischenwandstück 14 mittels eingegossener, die Wandungen des Gehäuseabschnittes 16, das Zwischenwandstück 14 selbst und bis zum Zylinderkopfanschlußflansch 9 reichender domartiger Stützelemente 33 im Gehäuseabschnitt 16 zentriert ist..

Abschließend zeigt Fig. 7 die Ansicht A2 gemäß der Fig. 5 auf die dem Abgasturboladeranschluß zugekehrte Stirnseite des Abschnittes 3b. Das Gehäuse 16, die Zwischenwand 14 und die Rohrleitung 12 sind mit einem kreisringförmigen Querschnitt ausgebildet. Die Längskammer 31 des Gehäuses 16, sowie die Längskammer 15 zwischen Zwischenwand 14 und Gehäuse 16 sind durch mehrere stabilisierende radial verlaufende Zwischenwände 32 unterteilt.

Fig. 8 zeigt das Detail E1 der Fig. 1a. Der Abschlußdeckel 60 läßt einen Spalt zwischen dem Rohrleitungsstück 12 und dem Zwischenwandstück 14, so daß an dieser Stelle das Abgas aus dem Rohrleitungsstück 12 (und durch den Spalt 20) in die Längskammer 13 eingebracht werden kann. Die Längskammer 15 dagegen dient in erster Linie zur Isolation.

Auf diese Weise wird ein Abgasleitungssystem in Modulbauweise mit einem Wärmedämmungssystem geschaffen, das extrem gute wärmeisolierende Eigenschaften hat. Es ist klar, daß sich mit einem solchen System die unterschiedlichst geformten Rohrelemente miteinander verbinden lassen, so daß man ein Abgasleitungssystem beliebiger Form und beliebiger Länge erzeugen kann.

Claims (8)

1. Abgasleitungssystem für eine mehrzylindrige Kolbenbrennkraftmaschine mit die Abgase führenden inneren mit Steckverbindungen zusammengesetzten Rohrleitungsstücken, die jeweils etwa dem Zylinderabstand der Brennkraftmaschine entsprechen, und einem diese Rohrleitungsstücke mit Abstand im wesentlichen koaxial umgebenden, auf die Zylinderköpfe aufgesetzten wassergekühlten Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse und die Rohrleitungsstücke Abgasleitungsabschnitte (3, 3a, 3b) bilden, die als Baueinheit in Form eines einstückigen Gußteils hergestellt sind,
wobei die Baueinheit

• a) ein zentral verlaufendes Rohrleitungsstück (12)
• b) mindestens ein das Rohrleitungsstück (12) unter Ausbildung eine Längskammer (13) etwa koaxial umgebendes Zwischenwandstück (14),
• c) einen das Rohrleitungs- (12) und das Zwischenwandstück (14) unter Ausbildung einer weiteren Längskammer (15) etwa koaxial umgebenden, Kühlwasser führenden Gehäuseabschnitt (16) und
• d) einen Zylinderkopfanschluß (9) umfaßt,

derart daß beim Zusammenfügen mehrerer Abgasleitungsabschnitte in axialer Richtung für die Abgase und das zugeführte Kühlwasser durchgehende Kanäle entstehen,
desweiteren die Steckverbindungen der Abgasleitungsabschnitte (3, 3a, 3b) derart ausgebildet sind, daß

• a) zwischen jeweils der Stirnseiten (18a, 18b) der Rohrleitungsstücke (12) und
• b) jeweils der Stirnseiten (19a, 19b) der Zwischenwandstücke (14) Luftspalte (20, 21) gelassen sind, und
• c) die Verbindung der Abgasleitungsabschnitte (3, 3a, 3b) gegen Abgas- und Wasserleckage abgedichtet ist.

2. Abgasleitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils für die Steckverbindung zweier axial benachbarter Gehäuseabschnitte (16) diese beidseitig zylindrisch bearbeitet sind, derart daß auf der einen Seite (22a) mit Abstand zum Stirnende innen und außen Umfangsnuten (23, 24) zur Aufnahme von Dichtungsringen (25, 26) eingearbeitet sind und auf der anderen Seite (22b) Aufweitungen (27, 28) zum Umfassen der Dichtungsringe (25, 26) und als Einschiebebegrenzung vorgesehen sind (Fig. 3).

3. Abgasleitungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den Zylinderkopfanschluß (9) ein Anschlußflansch mit einer Öffnung für den Abgasdurchtritt aus dem Zylinder (1) vorgesehen ist, der mit dem entsprechenden in dem jeweiligen Zylinderkopf (1) ausgebildeten Auspuffkanal fluchtet, wobei eine um ca. 3° angeschrägte Dichtfläche (10) zwischen Anschlußflansch (9) und Auspuffkanal des Zylinderkopfes (1) vorgesehen ist (Fig. 2).

4. Abgasleitungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Zylinderkopf korrespondierende Planflächen (40a, 40b) zur Montage und zur Anbringung einer Montagebrücke als Verdrehsicherung bei einer einzelnen Zylinderkopfdemontage vorgesehen sind.

5. Abgasleitungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils für den das Abgasleitungssystem (2) abschließenden Abgasleitungsabschnitt (3a) an der äußeren Stirnseite ein Abschlußdeckel (4) vorgesehen ist, durch diesen die Kühlwasserkanäle der Gehäuseabschnitte mittels eines Kühlwasser- zu/ablaufs (5) mit Kühlwasser gesondert versorgt werden (Fig. 3).

6. Abgasleitungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der das Abgasleitungssystem (2) beginnende Abgasleitungsabschnitt (3b) mit dem Anschlußkanal (32) der Turbine eines Abgasturboladers verbunden ist,
wobei diese Verbindung mittels Dilatationskompensatoren (7) hergestellt ist und für diesen Abgasleitungsabschnitt (3b) ein Kühlwasser- zu/ablauf (8) vorgesehen ist
und für die Abgas führenden Längskammern (13, 15) ein Anschluß (29) für ein Abgas- ab/umblaseleitung vorgesehen ist (Fig. 1, Fig. 4 und 5).

7. Abgasleitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gußform des Abgasleitungsabschnittes (3b) für den Anschluß an einen Abgasturbolader im wesentlichen mit einem kreisringförmigen Querschnitt ausgebildet ist,
wobei die Längskammern des Gehäuseabschnittes (16) und der vom Zwischenwandstück (14) gebildeten durch mehrere stabilisierende radial verlaufende Zwischenwände (32) unterteilt sind.

8. Abgasleitungssystem nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in etwa tangential vom Außendurchmesser des Abschlußdeckels (4) des abschließenden Abgasleitungsabschnittes (3a) ausgehend eine Kraftabstützung (11) des Abgasleitungssystems (2) an der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.