DE19718853A1 - Abgaskrümmer für Verbrennungsmotoren und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer für Verbrennungsmoto­ ren, bestehend aus mindestens einem Krümmerrohr mit an seinen Enden angeordneten Anschlußflanschen und mit einem in einen ge­ raden Abschnitt des Krümmerrohres angeordnetem Katalysator.

Das Abgas von Otto- oder Dieselmotoren enthält Stoffe wie HO, CO, No_x, Partikel und andere die Umwelt belastende Komponen­ ten. Die Emission dieser Schadstoffe muß so gering wie möglich gehalten werden. Besonders hohe Emissionsanteile werden während Start- und Warmlaufphase in die Atmosphäre entlassen, da die Verbrennung im Zylinder noch unvollständig abläuft. Die Stoffe HO, CO, und Partikel liegen in dieser Arbeitsphase in hoher Konzentration vor. Zur Reduzierung dieser obengenannten Schad­ stoffe werden heute fast ausnahmslos Katalysatoren im Abgasrohr nachgeschaltet. Die Aufgabe dieser Katalysatoren ist es, die schädlichen Stoffe in neutrale Komponenten zu konvertieren.

Die volle Wirksamkeit des Katalysators beginnt aber erst bei einer Temperatur von ca. 250°C auf der aktiven Oberfläche. In der kritischen Kaltlaufphase ist die Anspringtemperatur des Ka­ talysators noch nicht erreicht, und es wird somit eine große Menge von Schadstoffen ohne Reinigung emittiert. Um diesen Nachteil nahezu ganz zu vermeiden, wird der Katalysator mög­ lichst nahe in Richtung der Auslaßventile plaziert. Durch diese Maßnahme vermeidet man hohe Wärmeverluste. Die Effizienz ist hoch, jedoch auch die Kosten. Ein Nachteil bei der Positionie­ rung des Vorkats liegt darin, daß es meist nur möglich ist, ihn erst nach dem Krümmer zu montieren, d. h., immer noch zu weit vom Auslaßventil entfernt.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, die Katalysatoren im Sammel­ rohr des Abgaskrümmers anzuordnen. Sowohl im einen wie im ande­ ren Fall verlangt dieses eine Längsteilung, Längsverflanschung und Abdichtung des den Katalysator aufnehmenden Rohrstückes, um den Katalysator dicht passend in das betreffende Rohr überhaupt einsehen zu können. Abgesehen davon, daß derartige Längsteilun­ gen und Längsflansche mit einem beträchtlichen Herstellungsauf­ wand verbunden sind, beanspruchen diese auch entsprechend Raum, der bei den heutigen sehr engen und kompakten Motorraumgestal­ tungen praktisch nicht zur Verfügung steht. Gleiches gilt auch für die Möglichkeit, den Katalysator in einem Separatgehäuse anzuordnen und dieses wiederum am Abgaskrümmer anzuflanschen, um daran per Flansch die eigentliche Abgasleitung anzuschlie­ ßen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beibehaltung einer möglichst zylinderkopfnahen Anordnung von Katalysatoren einen Abgaskrümmer zu schaffen und ein dafür geeignetes Verfah­ ren, der mit vertretbarem Aufwand herstellbar ist und der äu­ ßerlich außer den Anschlußflanschen für den Zylinderkopf und das weiterführende Abgasrohr von vorspringenden, raumbeanspru­ chenden Verbindungselementen frei ist.

Diese Aufgabe ist mit einem Abgaskrümmer der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Katalysator als "verlorener Kern" im geraden Abschnitt des in einem Stück ge­ gossenen Krümmerrohres angeordnet ist.

Unter "Krümmerrohr" ist hierbei der Teil des ganzen am Motor angeflanschten Abgassystems zu verstehen, der die Verbindung zwischen Motor bzw. Zylinderblock und der zum Auspufftopf füh­ renden Abgasleitung herstellt, wobei das Krümmerrohr eine der Zylinderanzahl entsprechende Krümmerleitung aufweist. Eine Ver­ flanschung und Verschraubung des Katalysators am Abgaskrümmer entfällt, da der Katalysator-Körper in den Abgaskrümmer einge­ gossen ist, d. h., da sämtliche und letztlich zusätzliche Monta­ gearbeit und Raum er fordernde Flanschverbindungen entfallen, ist auch eine kompakte, den beengten Raumverhältnissen im Mo­ torraum entsprechende Unterbringung ermöglicht, die nach wie vor lediglich der Anbindung am Zylinderkopf bedarf.

Von der Herstellung eines derart mit Kat bestückten Abgaskrüm­ mers hat sich folgende Verfahrensweise als machbar und mit dem geringsten Aufwand verbunden erwiesen, und zwar grundsätzlich ausgehend davon, daß in einer Negativgießform ein Kern mit Kernstützen eingesetzt und der Hohlraum zwischen Kern und Nega­ tivform mit dem Gießmetall ausgegossen wird, wobei aber nunmehr erfindungsgemäß die eine Stirnseite des Katalysators zunächst mit einer unter Hitzeeinwirkung flüchtigen Folie verschlossen, dann dessen Durchströmkanäle mit einem feinkörnigen bis staubförmigen, hit­ zebeständigen Pulver gefüllt und die andere Stirnseite eben­ falls mit einer entsprechenden Folie verschlossen werdend wo­ nach der Katalysator mit den stirnseitig angesetzten und mit­ einander verankerten Krümmerkernen in die Negativgießform ein­ gesetzt wird.

Es mag dabei dahingestellt bleiben, welche ggf. andere Verfah­ rensweise zu einem ebenfalls befriedigenden Herstellungsergeb­ nis des Abgaskrümmers führt, bei der erfindungsgemäßen Herstel­ lungsweise hat sich jedenfalls gezeigt, daß bei dieser Methode trotz der Einbindung des Katalysators bereits beim Gießen die wirksame Katbeschichtung in den Durchströmkanälen unbeeinträch­ tigt bleibt. Um dies absolut sicherzustellen, besteht eine vor­ teilhafte Weiterbildung darin, daß die Gußwand des Krümmerroh­ res im Bereich der Stirnflächen des Katalysators in Form einer umlaufenden, unterhalb der Stirnflächenebene ansetzenden Hohl­ kehle ausgebildet ist. Gießtechnisch bedeutet dies, was noch näher erläutert wird, eine entsprechende Gestaltung der an den Katalysator stirnseitig anzusetzenden Kerne.

Durch Anwendung von Dünnwand-Gußtechnik (Wandstärke ca. nur 2 mm) und Wegfall von Befestigungsflanschen, Schrauben, Dichtun­ gen und Scheiben kann man das Gewicht der Bauteile Abgaskrüm­ mer/Katalysator verringern.

Der Katalysator erleidet, wie sich gezeigt hat und wie erwähnt, durch die von der Gußschmelze eingetragene Wärme keinerlei Schä­ den, auch ein unerwünschter Wirkungsgradverlust ist nicht fest­ gestellt worden. Durch das schnelle Abkühlen der Schmelze, ge­ geben durch geringe Wandstärke, wird weder Washcoat noch Edel­ metall-Eintrag negativ beeinflußt. Nach dem Bearbeiten der Krümmer-Flansche ist der Abgaskrümmer mit eingegossenem Kataly­ sator montagefertig. Es können Metallkatalysatoren mit jeder Wickeltechnik oder auch Keramik-Monolithen umgossen werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Anpassung der flüssigen Schmelze an den mit Toleranzen behafteten Katalysa­ tor-Körper. Am Umfang des Körpers herrschen die gleichen Ra­ dialspannungen, egal ob Geometrieabweichungen wie Unrundheit, Konizität oder andere Formfehler vorliegen.

Der erfindungsgemäße Abgaskrümmer und das zu seiner Herstellung sich als zweckmäßig und vorteilhaft erwiesene Verfahren werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 perspektivisch den erfindungsgemäßen Abgaskrümmer mit eingegossenem Katalysator;

Fig. 2 im Schnitt den Abgaskrümmer gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 stark vergrößert und im Schnitt den Anordnungsbereich des Katalysators im Abgaskrümmer.

Der Abgaskrümmer für Verbrennungsmotoren, besteht nach wie vor aus mindestens einem Krümmerrohr 1 mit an seinen Enden angeord­ neten Anschlußflanschen 2 und mit einem in einen geraden Ab­ schnitt 3 des Krümmerrohres 1 angeordnetem Katalysator 4.

Unter Verweis auf Fig. 1, 2 ist für einen solchen Abgaskrümmer nun wesentlich, daß der Katalysator 4 als "verlorener Kern" im geraden Abschnitt 3 des in einem Stück gegossenen Krümmerrohres 1 angeordnet ist, d. h., der ganze Abgaskrümmer mit seiner in Fig. 1 nur bspw. dargestellten äußeren Form stellt eine in sich einschließlich des Katalysators integrale Baueinheit dar, die montagefertig mit ihren oberen vier Abgasleitungsstücken 1' am Zylinderkopf in herkömmlicher Weise angeflanscht und an die un­ tere die zum Auspufftopf führende Abgasleitung angeschlossen wird.

Hergestellt wird dieser Abgaskrümmer in der Weise, und zwar ausgehend vom üblichen Gießprinzip, bei dem in einer Negativ­ gießform ein Kern mit Kernstützen eingesetzt und der Hohlraum zwischen Kern und Negativform mit dem Gießmetall ausgegossen wird, daß die eine Stirnfläche 5 des Katalysators 4 zunächst mit einer unter Hitzeeinwirkung flüchtigen Folie 7 verschlos­ sen, dann dessen Durchströmkanäle 4' mit einem feinkörnigen bis staubförmigen, hitzebeständigen Pulver gefüllt und die andere Stirnfläche 5 ebenfalls mit einer entsprechenden Folie 7 ver­ schlossen werden, wonach der Katalysator 4 mit den stirnseitig angesetzten und miteinander verankerten Krümmerkernen 8 in die Negativgießform eingesetzt wird.

Die Anordnung von Folien, die bspw. aus geeignetem Papier be­ stehen können, an den Stirnflächen des Katalysators sorgt dabei dafür, daß auf keinen Fall Kernsand von den stirnseitig anzu­ setzenden Krümmerkernen durch ungünstige Umstände an die Katbe­ schichtung in den Durchströmkanälen 4' des Katalysators 4 ge­ langen kann, wobei die Pulverfüllung in den Kanälen einerseits für die Abstützung der beiden dünnen Schutzfolien dient und an­ dererseits dafür sorgt, daß keine Folienreste bei deren "Wegbrennen" während des Gusses in die Durchströmkanäle gelan­ gen, was die Katalysatorenwirkung beeinträchtigen würde. Die Ausfüllung der Kanäle mit rieselfähig bleibendem Pulver ist deshalb notwendig, um nach vollzogenem Guß dieses Pulver genau wie die beiden Krümmerkerne wieder entfernen und die wirksame Katalysatorfläche freilegen zu können.

Würde man die Krümmerkerne 8 ansatzseitig zu den Stirnflächen 5 des Katalysators 4 mit genau entsprechender Querschnittsform ausformen, bestünde eine gewisse Gefahr, daß beim Gießen Gieß­ metall bis zu einem gewissen Grad in die entstehenden Kernan­ schlußfugen eindringt. Um diesbezüglich sicher sein zu können, daß dies nicht erfolgt, ist vorteilhaft vorgesehen, daß die Gußwand 1'' des Krümmerrohres 1 im Bereich der Stirnflächen 5 des Katalysators 4 in Form einer umlaufenden, unterhalb der Stirnflächenebenen E ansetzenden Hohlkehle 6 ausgebildet ist. Hierzu wird auf Fig. 3 verwiesen, die dies in Verbindung mit den am Katalysator 4 angesetzten Krümmerkernen 8 verdeutlicht, deren zu den Hohlkehlen 6 führende umlaufenden Wülste 9 die beim "Wegbrennen" der Folien 7 entstehenden Radialfugen gegen das Eindringen von Gießmetall abschirmen.

Wie ebenfalls aus Fig. 3 ersichtlich, werden die beidendig am Katalysator angesetzten Krümmerkerne 8 durch den Katalysator 4 hindurch mit Zugankern 10 verbunden, um den Zusammenhalt des Gesamtkernes beim Gießen des Abgaskrümmers sicherzustellen.

Sofern es sich beim als "verlorenen Kern" eingebundenen Kataly­ sator um einen gewickelten Kat handelt, wird dieser zweckmäßig mit einer dünnwandigen Hülse 11 aus warmfestem, zunderbeständi­ gem Stahl umhüllt, die in der rechten Hälfte der Fig. 2 mit an­ gedeutet ist und die bspw. mit kleinen Ausklinkungen (nicht dargestellt) versehen sein kann, um eine Fixierung in der um­ hüllenden Gußwand herzustellen.

Sofern es sich bei den Katalysatoren um Keramikblöcke handelt, können diese mit einer sogenannten Blähmatte 12 aus Blähglim­ merplättchen umgeben werden (siehe linke Hälfte in Fig. 3), die beim Erhitzen aufquillt und den Keramikkat sicher im umgossenen Abgaskrümmer fixiert. Auch ein Bestreichen der Keramikblöcke mit sogenanntem Schlicker kann in Betracht gezogen werden. So­ fern eine Blähmatte zur Verwendung kommt, ist es erforderlich, diese, wie ebenfalls in Fig. 3 angedeutet, nach oben und unten mit sogenannten Verblasschutzringen 13 abzudecken.

Claims (5)

1. Abgaskrümmer für Verbrennungsmotoren, bestehend aus min­ destens einem Krümmerrohr (1) mit an seinen Enden ange­ ordneten Anschlußflanschen (2) und mit einem in einen ge­ raden Abschnitt (3) des Krümmerrohres (1) angeordnetem Katalysator (4) dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (4) als "verlorener Kern" im geraden Abschnitt (3) des in einem Stück gegossenen Krümmerrohres (1) angeordnet ist.

2. Abgaskrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußwand (1') des Krümmerrohres (1) im Bereich der Stirnflächen (5) des Katalysators (4) in Form einer um­ laufenden, unterhalb der Stirnflächenebenen (E) ansetzen­ den Hohlkehle (6) ausgebildet ist.

3. Abgaskrümmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gewickelte ausgebildete Katalysator (4) mit einer dünnwandigen, mit Verankerungsausklinkungen versehenen Hülse (11) aus zunderbeständigem Stahl umgeben ist.

4. Abgaskrümmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem Keramikblock gebildete Katalysator (4) mit einer Blähmatte (12) oder mit einer Schlickerlage um­ hüllt ist.

5. Verfahren zur Herstellung des Abgaskrümmers nach jedem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in einer Negativgießform ein Kern mit Kernstützen eingesetzt und der Hohlraum zwischen Kern und Negativform mit dem Gießmetall ausgegossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Stirnfläche des Katalysators zunächst mit einer unter Hitzeeinwirkung flüchtigen Folie verschlos­ sen, dann dessen Durchströmkanäle mit einem feinkörnigen bis staubförmigen, hitzebeständigen Pulver gefüllt und die andere Stirnfläche ebenfalls mit einer entsprechenden Folie verschlossen werden, wonach der Katalysator mit den stirnseitig angesetzten und miteinander verankerten Krüm­ merkernen in die Negativgießform eingesetzt wird.