DE19645619A1 - Abgasleitungssystem zum Abführen von Abgas aus einem Verbrennungsmotor - Google Patents
Abgasleitungssystem zum Abführen von Abgas aus einem VerbrennungsmotorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasleitungssystem nach dem Ober
begriff des Anspruchs 1. Abgase aus einem Verbrennungsmotor werden von
Abgasleitungssystemen abgeführt. Diese sind motorseitig im allgemeinen an
eine Mehrzahl von Abgasauslässen angeschlossen. In vielen Fällen führen sie
die Abgase des Motors bis zu einem einem Abgaskatalysator vorgeschalteten
konusförmigen Diffusor, der den Leitungsquerschnitt auf den Querschnitt des
Katalysators erweitert.
Bekannt ist ein Abgasleitungssystem, das in einem Teilabschnitt ein Rohrbün
del mit einer Mehrzahl von Innenrohren aufweist, die innerhalb eines
Mantelrohres geführt sind und im allgemeinen eine kreissegmentförmigen
Querschnitt aufweisen. Die Innenrohre sind über einen gemeinsamen Flansch
und eine Mehrzahl von Anschlußrohren mit den Abgasauslässen des Motors
verbunden. Auf diese Weise läßt sich der Abgasgegendruck eines Zylinders
auf die anderen Zylinder reduzieren, verglichen mit einem Abgasleitungs
system, bei dem die Anschlußleitungen an dem Flansch in ein gemeinsames
Sammelrohr münden. Für das maximale Drehmoment eines Verbrennungs
motors ist es oft günstig, wenn die den einzelnen Abgasauslässen zugeord
neten Auslaßleitungen möglichst lang sind, bevor sie in ein gemeinsames
Abgassystem münden. Gegenüber herkömmlichen mehrsträngigen Abgaslei
tungssystemen hat ein Rohrabschnitt mit einer Mehrzahl von in ein Mantel
rohr integrierten Innenrohren eine geringere Oberfläche und damit geringere
Wärmeverluste nach außen und wegen dünnerer Innenwände und nur einem
tragenden Außenrohr auch eine geringere Wärmekapazität. Beides ist für den
Bereich eines Abgasleitungssystemes zwischen Motor und einem Katalysator
günstig, da beim Kaltstart des Motors der Katalysator schneller auf die für
die katalytische Umsetzung erforderliche Temperatur kommt. Bei bisherigen
Systemen ist allerdings der sogenannte Krümmer, d. h. der erste direkt an
die Abgasauslässe anschließende Bereich des Abgassystems immer noch
herkömmlich gestaltet und weist dicke Wände und eine große Oberfläche
auf. Auch eine Flanschverbindung zu einem anschließenden Mehrfachrohrsy
stem weist noch eine verhältnismäßig hohe zusätzliche Wärmekapazität auf.
Weiterhin bekannt ist ein Krümmer mit verhältnismäßig geringer Oberfläche,
bei dem ein Sammelrohr entlang der Abgasauslässe eines Motors geführt ist.
Von den Abgasauslässen führen Anschlußleitungen in einzelne voneinander
beabstandete Rohröffnungen des Sammelrohrs. Das Sammelrohr enthält keine
Innenrohre. Der Abgasgegendruck eines Zylinders auf die anderen Zylinder
ist bei kurzen Anschlußrohren daher verhältnismäßig groß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein im motornahen Bereich
mehrsträngiges Abgasleitungssystem anzugeben, das bei niedriger Wärmekapa
zität und kleiner Oberfläche direkt an die Abgasauslässe angeschlossen
werden kann und kostengünstig herzustellen ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Abgasleitungssystem mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Beim erfindungsgemäßen Abgasleitungssystem sind die Innenrohre einzeln mit
Anschlußleitungen verbunden, die beim Betrieb des Verbrennungsmotors
Abgas von den Abgasauslässen des Motors zu den Innenrohren führen. Beim
Stand der Technik dagegen weist der Anschlußabschnitt einen gemeinsamen
Flansch auf, mit dem der Übergang von den Anschlußleitungen auf die
Innenrohre erreicht wird. Ein Vorteil der Erfindung ist, daß Einzelverbindun
gen einfach und kostengünstig geschaffen werden können. Dies kann bei
spielsweise durch Anschweißen geschehen. Durch den Verzicht auf einen
gemeinsamen Flansch und die Anwendung des Rohr-in-Rohr-Systems bis in
unmittelbare Nähe der Abgasauslässe des Verbrennungsmotors können Wär
meverluste des Abgases in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors
erheblich reduziert werden, wodurch ein nachgeschalteter Katalysator schnel
ler anspricht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Anschlußleitungen
durchgehend als sich auffächerndes Bündel von Innenrohren weitergeführt.
Ein Befestigen separater Anschlußleitungen an den Innenrohren entfällt damit.
Von dieser Ausgestaltung gibt es verschiedene Varianten. Bei einer bevor
zugten Variante haben die Innenrohre im Querschnitt eine andere Form als
die Anschlußleitungen an den Abgasauslässen. Letztere weisen zweckmäßiger
weise einen kreisrunden Querschnitt auf, der beispielsweise durch Aufdornen
des ursprünglichen kreissegmentförmigen Querschnitts der Innenrohre erreicht
werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasleitungs
systems sind die Innenrohre mindestens entlang des dem Motor am nächsten
liegenden Abschnitts des Mantelrohrs verdrillt geführt. Bei einer Weiterbil
dung dieser Ausgestaltung sind die Innenrohre durch voneinander beabstande
te Einzelrohröffnungen mit den Anschlußleitungen verbunden. Auch von
dieser Ausgestaltung gibt es verschiedene Varianten, nämlich: Die Innenrohre
sind eineindeutig mit den Anschlußleitungen verbunden, eine Mehrzahl von
Innenrohren ist mit einer Mehrzahl von Anschlußleitungen verbunden, die
außerhalb des Mantelrohrs zusammenführen, oder eine Mehrzahl von separa
ten Anschlußleitungen ist mit demselben Innenrohr verbunden. Bei allen drei
Varianten erfolgt die Verbindung zwischen einem Innenrohr und dem An
schlußabschnitt durch eine Einzelrohröffnung zu einem einzelnen Stück einer
Anschlußleitung.
Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei der das Mantelrohr einen
geraden Abschnitt hat, in dem die Einzelrohröffnungen etwa entlang einer
geraden Linie liegen. Hierbei wird der gerade Abschnitt entlang der Abgas
auslässe des Verbrennungsmotors geführt, die meist ebenfalls in einer gera
den Linie liegen. Von dieser Ausgestaltung gibt es Ausführungen mit beson
ders kurzen Anschlußleitungen. Zweckmäßigerweise bilden lauter gleiche
Anschlußleitungen die Verbindung von den Abgasauslässen zu den Einzel
rohröffnungen. Um dies zu ermöglichen, sind die Abstände der Einzelrohr
öffnungen untereinander so gewählt, daß sie den Abständen der Abgasausläs
se untereinander gleichen.
Auch ein Mantelrohr mit zwei nichtverdrillten Innenrohren kann zum An
schluß von Anschlußleitungen an unterschiedliche Innenrohre nah entlang der
Gasauslässe angeordnet werden, wenn die Trennwand zwischen den Innenroh
ren etwa auf die Gasauslässe gerichtet ist. Die Anschlußleitungen können
dann tangential in jeweils eines der Innenrohre münden.
Günstig ist es, wenn die Innenrohre innerhalb des Mantelrohrs untereinander
etwas vor der Einmündung in einen Katalysatorkonus Verbindungsöffnungen
haben. Auf diese Weise kann dem Effekt entgegengewirkt werden, daß in
einem nachgeschalteten Katalysator oder einer davor liegenden Meßkammer
mit Lambda-Sonde unter Umständen ungleichmäßig über den Strömungsquer
schnitt verteilte Abgasströme auftreten. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung
sind an den Verbindungsöffnungen zungenartig teilweise ausgeschnittene
Wandstücke abgebogen und ragen in das Innere der Innenrohre hinein.
Bevorzugt für die vorliegende Erfindung werden Ausgestaltungen, bei denen
der Querschnitt des Mantelrohrs kreisförmig ist und die Innenrohre kreisseg
mentartig den Querschnitt ausfüllen. Zweckmäßigerweise sind die Innenquer
schnitte der Innenrohre so gewählt, daß in jedem Innenrohr insgesamt die
gleichen Abgasmengen pro Querschnittsfläche strömen. Bei Vierzylinder-
Verbrennungsmotoren werden Mantelrohre mit vier Innenrohren oder Mantel
rohre mit zwei Innenrohren bevorzugt. In letzterem Fall sind jeweils zwei
Abgasauslässe mit einem der beiden Innenrohre verbunden.
Bei weiteren Ausgestaltungen weist das Abgasleitungssystem eine Mehrzahl
von Mantelrohren auf, die jeweils eine Mehrzahl von Innenrohren haben.
Auf diese Weise lassen sich mit dem Abgasleitungssystem eine Vielzahl von
gewünschten Konfigurationen für Verbrennungsmotoren mit unterschiedlicher
Anzahl von Abgasauslässen und gewünschter Anzahl von Abgassträngen
erzielen.
Weitere Merkmale und bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Abgasleitungssystems werden anhand der Zeichnung beschrieben. Die Zeich
nung zeigt beispielhaft Ausführungsformen, auf die die Erfindung jedoch
nicht beschränkt ist.
Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Abgasleitungssystem mit zwei Innenrohren, die
teilweise verdrillt geführt sind,
Fig. 2 bis 5 Querschnitte durch das in Fig. 1 gezeigte Abgaslei
tungssystem,
Fig. 6 ein Abgasleitungssystem mit vier Anschlußleitungen,
die durchgehend als sich auffächerndes Bündel von
Innenrohren weitergeführt sind,
Fig. 7 einen Querschnitt durch das in Fig. 6 gezeigte
Abgasleitungssystem vor der Bündelöffnung des Man
telrohrs,
Fig. 8 einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines Man
telrohrs mit zwei Innenrohren, die zwei Verbindungs
öffnungen aufweisen und
Fig. 9 einen Querschnitt durch Fig. 8 entlang der Linie IX-IX.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Abgasleitungssystem 10, das an einen
Katalysatorkonus 2 angeschlossen ist, der den Leitungsquerschnitt zum
Katalysator 1 hin erweitert. Das Abgasleitungssystem 10 führt die Abgase
des Verbrennungsmotors 6 von dessen Abgasauslässen 4 durch ein Mantel
rohr 11 mit Innenrohren 12 zu dem Katalysatorkonus 2. Der Anschluß
abschnitt 13 weist vier Anschlußleitungen 17 auf, die jeweils einen Abgas
auslaß 4 des Verbrennungsmotors 6 mit einer Einzelrohröffnung 18 in dem
Mantelrohr 11 verbinden. Das Mantelrohr 11 hat einen geraden Mantelrohr
abschnitt 14, in dem die beiden Innenrohre 12 verdrillt geführt sind. In dem
an den geraden Mantelrohrabschnitt 14 sich anschließenden gekrümmten
Mantelrohrabschnitt, der zu dem Katalysatorkonus 2 führt, sind die beiden
Innenrohre 12 nicht verdrillt geführt. Das Rohrbündel 15 weist also einen
verdrillten und einen nicht verdrillten Abschnitt auf.
Fig. 2 bis 5 zeigen Querschnitte durch das in Fig. 1 dargestellte
Abgasleitungssystem an den Schnittlinien I bis IV, die jeweils auf Höhe
einer Einzelrohröffnung 18 liegen. In der Reihenfolge von 2 beginnend sind
das erste Innenrohr 42 und das zweite Innenrohr 43, die miteinander ver
drillt sind, jeweils bis zur folgenden Einzelrohröffnung 18 aufgrund der
Verdrillung um 90° weitergedreht. Auf diese Weise sind die Anschlußleitun
gen 17 in Höhe der Schnittlinien I und IV mit dem zweiten Innenrohr 43
verbunden, wogegen die Anschlußleitungen 17 in Höhe der Schnittlinien II
und III mit dem ersten Innenrohr verbunden sind. Bei derselben Stärke der
Verdrillung könnten auch Verbindungen zwischen den Anschlußleitungen in
Höhe der Schnittlinien I und II bzw. III und IV geschaffen werden. Bei
stärkerer Verdrillung sind Verbindungen zwischen I und III bzw. II und IV
möglich. Die in Fig. 2 bis 5 gezeigten Innenrohre 42, 43 in dem im
Querschnitt kreisförmigen Mantelrohr 21 sind als im Querschnitt halbkreis
artige Innenrohre ausgeführt, die den Innenquerschnitt des Mantelrohrs 21
annähernd ausfüllen.
Fig. 6 zeigt ein Abgasleitungssystem mit vier Innenrohren 22 in einem
Rohrbündel 25. Die Anschlußleitungen 27 zwischen den Abgasauslässen 4
und den Innenrohren 22 sind als Enden der Innenrohre 22 ausgeführt. Der
Anschlußabschnitt 23 weist also vier abgebogene sich auf die Abgasauslässe
4 auffächernde Rohrenden auf. Das Mantelrohr 21 hat im Gegensatz zu dem
in Fig. 1 gezeigten Mantelrohr 11 keine Einzelrohröffnung, sondern an der
Bündelöffnung 28 eine gemeinsame Öffnung für das Rohrbündel 25.
In Fig. 7 ist ein Querschnitt durch das Abgasleitungssystem 20 an der
Schnittlinie V gezeigt. Man erkennt, daß die Innenrohre in dem Mantelrohr
21 als den Innenquerschnitt des Mantelrohrs 21 annähernd ausfüllende
Innenrohre 52 mit viertelkreissegmentartigem Querschnitt ausgeführt sind.
In Fig. 8 ist ein Abschnitt eines Mantelrohrs 31 mit einem ersten Innen
rohr 32 und einem zweiten Innenrohr 33 dargestellt, die mindestens eine
Verbindungsöffnung 34 untereinander haben. An der Verbindungsöffnung 34
ist einmal an dem einen und einmal an dem anderen Innenrohr 32 jeweils
ein zungenartig teilweise ausgeschnittenes Wandstück nach außen abgebogen
und ragt in das Innere des jeweiligen Innenrohrs 32, 33, dessen Wand an
der Verbindungsöffnung 34 ganz ausgeschnitten ist. Die Abgasströmungs
verläufe sind durch Pfeile in der linken Seite der Fig. 5 dargestellt. Durch
diese und ähnliche Anordnungen wird eine bessere Verteilung der jeweils
pulsartig in einem der beiden Innenrohre strömenden Abgase auf beide
Innenrohre verteilt, wodurch eine nachgeschaltete Lambda-Sonde und ein
nachgeschalteter Katalysator gleichmäßiger angeströmt werden. Ähnliche
Konfigurationen sind prinzipiell auch für vier Innenrohre möglich, jedoch
kann man diese besser zunächst paarweise zusammenführen und dann die
Querverteilung wie oben beschrieben gestalten.
Die vorliegende Erfindung vereinfacht das Abgassystem von Verbrennungs
motoren und bewirkt ein schnelleres Ansprechen einer katalytischen Reini
gungseinrichtung, wodurch sich der Schadstoffausstoß in der Kaltstartphase
eines Verbrennungsmotors verringert und auch später bei geringen Lastzu
ständen das Absinken der Katalysatortemperatur unter die zur Umsetzung
nötige Temperatur vermieden wird.
1
Katalysator
2
Katalysatorkonus
4
Abgasauslaß
6
Verbrennungsmotor
10
Abgasleitungssystem
11
Mantelrohr mit geradem Stück entlang des Motors
12
Teilweise verdrillt geführtes Innenrohr
13
Anschlußabschnitt zu geradem Mantelrohrstück
14
Gerader Mantelrohrabschnitt
15
Rohrbündel mit verdrillten Innenrohren
17
Anschlußleitung zu Einzelöffnungen
18
Einzelrohröffnung für Anschluß an Abgasauslaß
20
Abgasleitungssystem mit Bündelöffnung
21
Mantelrohr mit Bündelöffnung
22
Unverdrillt geführtes Innenrohr
23
Anschlußabschnitt zu Bündelöffnung
25
Rohrbündel mit in Mantelrohrrichtung verlaufenden Innenrohren
27
Anschlußleitung zur Bündelöffnung
28
Bündelöffnung
31
Mantelrohr
32
erstes Innenrohr mit halbseitiger Überleitung
33
zweites Innenrohr mit halbseitiger Überleitung
34
Verbindungsöffnung
35
zweite Überleitung
36
erste Überleitung
42
erstes Innenrohr mit halbkreisförmigem Querschnitt
43
zweites Innenrohr mit halbkreisförmigem Querschnitt
52
Innenrohr mit viertelkreisförmigem Querschnitt
Claims (7)
1. Abgasleitungssystem (10; 20) zum Abführen von Abgas aus einem
Verbrennungsmotor (6) mit einer Mehrzahl von Abgasauslässen (4)
durch einen Anschlußabschnitt (13; 23), wobei das Abgasleitungssystem
ein Rohrbündel (15; 25) mit einer Mehrzahl von Innenrohren (12; 22;
32; 42; 43; 52) aufweist, die innerhalb eines Mantelrohres (11; 21; 31)
geführt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenrohre (12; 22; 32; 42; 43; 52) einzeln mit Anschlußlei
tungen (17; 27; 37) verbunden sind, die mit den Abgasauslässen (4)
verbunden sind.
2. Abgasleitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Anschlußleitungen (17; 27) durchgehend als sich auffächerndes Bündel
(25) von Innenrohren (22; 32; 42; 43; 52) aus dem Mantelrohr (21)
heraus einzeln zu den Abgasauslässen (4) weitergeführt sind.
3. Abgasleitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Innenrohre (12) mindestens entlang des den Abgasauslässen (4) am
nächsten liegenden Abschnitts des Abgassystems im Mantelrohr (14)
verdrillt geführt sind, wobei die Abgasauslässe (4) durch in einer Ebene
liegende kurze Anschlußleitungen (17) mit den verschiedenen Innenroh
ren (12) verbunden sind.
4. Abgasleitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Mantelrohr (11) mit zwei Innenrohren (42, 43) an den Abgasauslässen (4)
entlanggeführt ist, wobei die Trennwand zwischen den Innenrohren
(42, 43) etwa auf die Abgasauslässe (4) gerichtet ist, und die Anschluß
leitungen (17) die Abgasauslässe (4) entweder tangential mit dem einen
Innenrohr (42) oder tangential mit dem anderen Innenrohr (43) ver
binden.
5. Abgasleitungssystem nach Anspruch 1, 3 oder 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Innenrohre (12; 32; 42; 43; 52) durch voneinander be
abstandete Einzelrohröffnungen (18) mit den Anschlußleitungen (17; 27)
verbunden sind.
6. Abgasleitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Innenrohre (22) innerhalb des Mantelrohrs (21)
vor dem Eintritt in einen Katalysatorkonus (2) untereinander mindestens
eine Verbindungsöffnung (34) haben, vorzugsweise mit Strömungsleit
mitteln (35) zum gleichmäßigen Verteilen des Abgases auf die Innenroh
re (22).
7. Abgasleitungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an
der Verbindungsöffnung (34) zungenartig teilweise ausgeschnittene Wand
stücke (35) der Innenrohre (32) abgebogen sind und jeweils in das
Innere eines Innenrohrs (32) hineinragt, vorzugsweise in solcher Dimen
sionierung, daß jeweils etwa die Hälfte des in einem Innerohr (32)
strömenden Gases in ein benachbartes Innenrohr (32) umgeleitet wird.
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