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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage für einen
Verbrennungsmotor mit einem Außengehäuse, in
welches ein heißes
Abgas durch einen Abgaseinlass eingeleitet wird. Eine solche Abgasanlage
kann für
einen Viertakt- oder einen Zweitaktbenzinmotor verwendet werden.
Da die Abgasanlage selbst eine besonders kompakte Bauart aufweist,
kann sie auch bei handbetriebenen Arbeitsmaschinen, wie z.B. benzinmotorbetriebene
Trennschleifer, Kettensägen,
Heckenscheren oder dergleichen genutzt werden. Nach einer Behandlung
des Abgases innerhalb der Abgasanlage, wird das Abgas aus dem Abgasauslass
in die Umgebung ausgeleitet. Bei der Behandlung des Abgases kann
es sich um eine Maßnahme
zur Schalldämpfung
des Abgasgeräusches,
zur Schadstoffreduzierung des Abgases oder zur Abkühlung des
Abgases oder dergleichen handeln. Somit wird das Abgas durch die
Abgasanlage aufbereitet, um es anschließend durch den Abgasauslass
in die Umwelt zu leiten. Dabei ist der Abgassauslass röhrenförmig ausgestaltet,
insbesondere mit einem kreisrunden oder ovalen Querschnitt.
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Aus
dem Stand der Technik ist allgemein bekannt, Abgasverwirbler innerhalb
einer Abgasanlage anzuordnen. Dabei dienen diese Abgasverwirbler
in der Regel dazu, glühende
Teilchen in dem Verbrennungsabgas zu löschen, damit diese nicht durch
den Abgasauslass an die Umgebung abgegeben werden. Zum Beispiel
offenbart die DE-PS 948 210 eine Abgasanlage mit einer sogenannten
Zyklonenwicklung bzw. -anordnung. Dabei wird durch die Zyklonenanordnung
erreicht, dass die Abgase eine schnelle Drehbewegung erhalten, wodurch
die in dem Abgas vorhandenen glühenden
Teilchen gegen die Innenseite der Abgasanlage gequetscht und dadurch schnell
und sicher gelöscht
werden. Allerdings ist diese Zyklonenanordnung innerhalb der Abgasanlage, also
weit vor dem Abgasauslass vorgesehen, damit die glühenden Teilchen
noch an der Innenwand der Abgasanlage zum Erlöschen kommen können.
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Weiter
ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass ein langer Abgaskanal
beispielsweise hinter einem Abgaselement angeordnet wird, um die heißen, konvertierten
Abgase abzukühlen.
Dabei kann der Abgaskanal selber auch als Funkenlöscher dienen,
in dem er einen zickzackartigen bzw. bogenförmigen Verlauf einnimmt. In
der Regel werden dann die heißen
Abgase aus dem Abgaskanal direkt ins Freie bzw. in die Umwelt geleitet.
Hierbei treten allerdings immer noch sehr hohe Abgastemperaturen
direkt hinter dem Abgasauslass auf.
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Da
das zuvor erwähnte
Problem vor allem bei sehr kompakten Abgasanlagen auftritt, werden
im Stand der Technik auch zusätzlich
Schlitze oder Durchbrüche
im Außengehäuse der
Abgasanlage angeordnet, wodurch Frischluft in die Abgasanlage eindringen
kann und durch den Sog des heißen
Verbrennungsabgases wieder in die Umgebung geleitet werden. Durch
die viel kühlere
Frischluft findet eine Vermischung der heißen Abgase mit der kühlen Umgebungsluft
bereits innerhalb der Abgasanlage statt. Auch sind Injektoren bekannt,
die ebenfalls für
eine Kühlung
des heißen
Abgases beim Abgasauslass dienen, die jedoch wegen der pulsierenden
Strömung
des Abgases wenig effektiv sind. Folglich treten immer noch sehr
hohe Temperaturen direkt nach dem Abgasauslass im Abgasstrom auf.
Durch diese hohen Temperaturen kann es zu einer Verletzungsgefahr
besonders bei tragbaren Arbeitsmaschinen mit Verbrennungsmotoren
kommen. Zusätzlich
geht auch eine Brandgefahr von den heißen Abgasen aus.
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Vor
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
kompakte Abgasanlage bereitzustellen, die auf einfache Art und Weise
möglichst
effektiv die Abgastemperatur im Abgasauslass senkt. Dabei soll möglichst
auf bisher bekannte Konstruktionen von Abgasanlagen zurückgegriffen
werden, um auch eine kostengünstige
Lösung
zu erzielen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruches
1 vorgeschlagen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Abgasanlage
ist es vorgesehen, dass ein Abgasverwirbler im Bereich des röhrenförmigen Abgasauslasses angeordnet
ist, der zumindest eine Leitschaufel aufweist, wodurch das austretende
Abgas im Abgasauslass abgelenkt bzw. verwirbelt wird. Der Abgasverwirbler
kann dabei vor oder im Abgasauslass vorgesehen sein oder der Abgasverwirbler
stellt selber den Abgasauslass dar. Weiter wird durch die Erfindung
vorgesehen, dass der Abgasverwirbler wenigstens eine Leitschaufel aufweist,
wodurch eine Umlenkung bzw. Verwirbelung des Abgases mit der Umgebungsluft
stattfindet. Auf diese Art und Weise kann eine ggf. laminare Strömung des
Abgases in eine turbulente Strömung
des austretenden Abgases überführt werden,
die sich direkt mit der kühlen
Umgebungsluft hinter dem Abgasauslass vermischt. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz
des Abgasverwirblers im Bereich des Abgasauslasses wird das Abgas
durch die vorhandenen Leitschaufeln in eine schnelle Drehung versetzt.
Das Abgas wird bedingt durch Zentripetalkraft beim Verlassen des
Abgasauslasses stark in der Umgebungsluft aufgefächert. Somit kann auf wesentlich
kürzerer Distanz
das Abgas mit der Umgebungsluft gemischt und abgekühlt werden.
Folglich dient der erfindungsgemäße Abgasverwirbler
nicht als Funkenlöscher
innerhalb einer Abgasanlage, wie aus dem Stand der Technik bekannt
ist, sondern der Abgasverwirbler dient ausschließlich zur Reduzierung der Abgastemperatur
hinter dem Abgasauslass. Da der Abgasverwirbler selbst bei dem hier
vorgesehenen Einsatzbereich nur eine Bautiefe von wenigen Zentimetern
aufweist, lässt
sich die geforderte kompakte Bauweise der Abgasanlage realisieren.
Auch kann der Abgasverwirbler in bereits bestehende Konstruktionen
einer Abgasanlage integriert werden. Größere Bautiefen sind möglich, wenn
das Erfordernis der kompakten Gauweise nicht so stark ist wie z.B.
bei Rasenmähern.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Abgasanlage sind in den Unteransprüchen 2 bis
24 aufgeführt.
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Um
möglichst
eine kostengünstige
Konstruktion der Abgasanlage zu erzielen und eine einfache Montage
der Abgasanlage zu erhalten, kann es vorgesehen sein, dass der Abgasverwirbler
als ein eigenständiges
Bauteil im Bereich des Abgasauslasses vorgesehen ist. Folglich sind
keine wesentlichen Änderungen
bei der bisherigen Herstellung der bekannten Abgasanlagen erforderlich
und auch die Montage der Abgasanlage wird durch den Abgasverwirbler
kaum beeinflusst. Dabei kann der Abgasverwirbler als eigenständiges Bauteil
einfach nur zusätzlich
in den vorgesehenen Abgasauslass eingesetzt werden. Hierbei ist
jedoch sicherzustellen, dass der Abgasverwirbler nicht durch den
heißen
Abgasstrom aus dem Abgasauslass gedrückt wird. Zu diesem Zweck kann
der Abgasverwirbler form- und/oder kraftschlüssig im Abgasauslass angeordnet
werden. Dabei ist es denkbar, den Abgasverwirbler mittels einer
Schraub-, Niet-, Schweiß-,
Löt- und/oder
Klemmverbindung in dem Abgasauslass zu befestigen bzw. über einen
Bajonettverschluss in dem Abgasauslass zu sichern.
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Als
zweckmäßig hat
sich auch erwiesen, dass der Abgasverwirbler in einem eigenen Gehäuse angeordnet
ist. Somit enthält
der Abgasverwirbler im Wesentlichen ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse vorgesehenen
Einsatz, der die Leitschaufel aufweist. Das zusätzliche Gehäuse kann zur Befestigung des
Abgasverwirblers im Abgasauslass verwendet werden, wobei die im
Absatz zuvor genannten Verbindungsmöglichkeiten zum Einsatz kommen können. Um
möglichst
den Strömungswiderstand des
Abgasverwirblers gering zu halten, ist es empfehlenswert, einen
kreisförmigen
Querschnitt für
das Gehäuse
des Abgasverwirblers vorzusehen. Selbstverständlich ist die vorliegende
Erfindung jedoch nicht auf ein Gehäuse mit einem kreisförmigen Querschnitt
beschränkt,
so dass auch ovale oder andersartige Querschnittsflächen zum
Einsatz kommen können.
Zur Sicherstellung, dass das Abgas in eine turbulente Strömung über geht,
können
kleine Vorsprünge
an der Innenseite des Gehäuses
angeordnet sein. Ebenfalls kann die Innenseite des Gehäuses über eine
raue Oberfläche
verfügen.
Außerdem kann
der Abgasverwirbler derart im Abgasauslass angeordnet sein, dass
sich nach dem Abgasverwirbler ein kurzes Rohrstück des Abgasauslasses anschließt, bevor
das Abgas das Gehäuse
verlässt
bzw. in die Umgebung gelangt. Durch diese Maßnahme kann bewirkt werden,
dass Umgebungsluft in den Abgasauslass hineingezogen wird, die sich
dort mit dem austretenden Abgas vermischt, und somit insgesamt die
Austrittstemperatur senkt, bevor das Abgas endgültig das Gehäuse der
Abgasanlage verlässt.
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Um
möglichst
die gesamte Querschnittsfläche
des Gehäuses
für den
Abgasstrom zu nutzen, ist es empfehlenswert, eine mittlere Befestigungsfläche als
feststehendes Element, an dem die Leitschaufel mittig angebracht
sein können,
kleinflächig
auszugestalten. Dabei kann der gesamte Abgasstrom durch die Leitschaufeln
umgelenkt bzw. verwirbelt werden, um wirkungsvoll Temperaturspitzen
im Abgasstrom zu vermeiden. Optional kann auf das erwähnte feststehende
Element in Form einer mittleren Befestigungsfläche verzichtet werden, um die
gesamte Querschnittsfläche
des Gehäuses
für den
kompletten Abgasstrom zu nutzen, wobei dann die Leitschaufeln mittig
nicht befestigbar sind. In diesem Fall ist der mittlere Querschnittsbereich
des Abgasverwirblers offen ausgestaltet.
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Zur
Erzielung einer kostengünstigen
Herstellung des Abgasverwirblers, kann eine Blechkonstruktion vorgesehen
sein. Dabei kann sowohl das Gehäuse
als auch der Einsatz mit den Leitschaufeln aus Blech bestehen. Diese
Blechkonstruktionen können durch
ein Tiefziehverfahren oder ein sonstiges Umformungsverfahren hergestellt
werden. Bei dieser Variante ist es möglich den Abgasverwirbler auch
aus dem Außengehäuse, insbesondere
einer Gehäuseschale, der
Abgasanlage aus- bzw. umzuformen. Folglich kann auf eine Verbindung
des Abgasverwirblers mit der Abgasanlage verzichtet werden, da diese beiden
Bauteile einteilig und materialeinheitlich ausgestaltet sind. Ebenfalls
ist es denkbar, nur das Gehäuse
oder den Einsatz des Abgasverwirblers aus dem Außengehäuse der Abgasanlage zu formen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Abgasanlage ist es denkbar, dass der Abgasverwirbler, insbesondere
sein Einsatz mit den Leitschaufeln, aus einem Gussteil besteht.
Dabei ist es zweckmäßig, dass
es sich bei dem Gussteil um ein Feingussteil handelt. Zwar ist ein
Gussteil in der Fertigung teurer als eine vergleichbare Blechkonstruktion,
allerdings ist der Gestaltungsspielraum größer, so können z. B. profilierte Leitschaufeln
gegossen werden. Selbstverständlich
kann auch der gesamte Abgasverwirbler also Einsatz und Gehäuse als
ein oder mehrere Gussteile ausgestaltet sein.
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Bei
einer besonders interessanten Ausgestaltung des Abgasverwirblers
ist es vorgesehen, dass zu jeder Leitschaufel eine dreieckförmige Öffnung vorgesehen
ist, durch die ein Teil des Abgases bzw. des Abgasstromes geleitet
wird. Dabei wird in der Regel der n-te Teil des Abgases über die n-te Leitschaufel durch
die n-te Öffnung
geführt.
Folglich können
zwei, drei oder mehrere Leitschaufeln für den Abgasverwirbler vorhanden
sein. Dabei strömt
das Abgas bzw. ein Teil des Abgases zuerst in Strömungsrichtung
die Leitschaufeln entlang, um dann durch die dreieckförmige Öffnung in
die Umgebungsluft geleitet zu werden. Durch den Einsatz von n Leitschaufeln
wird der Abgasstrom in n-Teile aufgefächert.
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Ebenfalls
ist es denkbar, dass die Leitschaufeln kreissegmentförmige Flächen aufweisen,
die insbesondere über
eine ebene bzw. flache Oberflächen verfügen. Bei
dem Einsatz von n Leitschaufeln kommen dann 360°/n kreisbogenförmige Flächen für die Leitschaufeln
zum Einsatz. Ebenfalls kann eine Leitschaufel über eine bogenförmige, wellenförmige oder gebogene
Oberfläche
verfügen,
insbesondere wenn diese als kurze turbinenartige bzw. propellerartige Schaufel
ausgestaltet ist. Optional können
die Leitschaufeln auch in einer ungleichen Verteilung über den
Umfang des Abgasaustritts angeordnet sein, d. h. benachbarte Leitschaufeln
können
jeweils unterschiedliche Winkel zu einander aufweisen.
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Um
möglichst
den gesamten Querschnitt des Abgasverwirblers für den Abgasaustritt zu verwenden,
ist es zweckmäßig, dass
die ungefähre
Breite einer Leitschaufel einem Radius des Abgasverwirblers entspricht.
Somit kann der Strömungswiderstand
des Abgasverwirblers deutlich reduziert werden. Zu diesem Zweck
sollte besonders die mittlere Befestigung der Leitschaufeln, falls
vorhanden, möglichst
platzsparend bzw. klein ausgestaltet sein. Diese Befestigungsfläche ist
in der Regel um den Mittelpunkt des Abgasverwirblers angeordnet.
Ebenso empfiehlt es sich alle Leitschaufeln symmetrisch gleich um
den Mittelpunkt bzw. die Längsachse
des Abgasverwirblers anzuordnen. Auf diese Art und Weise kann eine gleichmäßige sowie
effektive Mischung des Abgases mit der Umgebungsluft garantiert
werden. Allerdings ist die Erfindung nicht auf symmetrische Leitschaufeln
beschränkt,
so dass auch die einzelnen Leitschaufeln geometrisch unterschiedlich
ausgestaltet sein können.
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Ferner
ist es zweckmäßig, wenn
die Fläche sämtlicher Öffnungen
für einen
Teilstrom des Abgases mindestens genauso groß ist wie die Querschnittsfläche des
Abgasauslasses. Somit kommt es nicht zu einer Querschnittsreduzierung,
die zu einem erhöhten
Strömungswiderstand
führt.
Dabei hängt die
Durchtrittsfläche
einer Öffnung
für einen
Teilstrom des Abgases im Wesentlichen auch von der axialen Vertiefung
der entsprechenden Leitschaufel zusammen. Wobei sich feststellen
lässt,
dass umso größer die
axiale Vertiefung der Leitschaufel ist, auch umso größer die
Fläche
der Durchtrittsöffnung
für den
jeweiligen Teilstrom des Abgases ist. Vorteilhafter Weise beträgt die axiale
Vertiefung der Leitschaufel 5–70%
des Durchmessers des Abgaskanals, besonders vorteilhaft 10–50% und
ganz vorteilhaft 15–30%. Durch
dieses Durchmesser-Höhenverhältnis im
Abgasverwirbler lässt
sich eine optimale Strömung
des Abgases erreichen. Bei einem Einsatz eines Zweitaktmotors kann
ggf. der Abgasverwirbler auch dazu genutzt werden, den nötigen Strömungswiderstand für eine optimale
Motorfüllung
bereit zu stellen. Dementsprechend muss der Abgasverwirbler, insbesondere
sein Strömungswiderstand,
auf den Verbrennungsmotor eingestellt werden.
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Zur
Erreichung einer umfassenden Verwirbelung des Abgases mit der Umgebungsluft,
ist es zweckmäßig, dass
der Abgasverwirbler das Abgas im Wesentlichen tangential zu seiner
Längsachse bzw.
schraubenartig herausleitet. Da das Abgas auch in Richtung der Längsachse
(also axial) aus dem Abgasauslass herausgedrückt wird, findet somit eine umfassende
dreidimensionale Vermischung des Abgases mit der Umgebungsluft statt.
Folglich kühlt
sich das Abgas bereits in einer kurzen Distanz hinter dem Abgasauslass
deutlich ab, wobei diese Distanz wenige Zentimeter beträgt. Ebenfalls
ist es denkbar, dass der Abgasverwirbler das Abgas im Wesentlichen
radial zur Längsachse
des Abgasverwirblers herausleitet. Dabei treten die gleichen positiven
Effekte auf, die zuvor beschrieben worden sind. Um das Abgas wunschgemäß aus dem
Abgasverwirbler bzw. aus dem Abgasauslass herauszuleiten, muss die
Geometrie der Leitschaufeln entsprechend angepasst sein. Hierbei
empfiehlt es sich, die Leitflächen ähnlich wie
Turbinenschaufeln anzuordnen, um dem Abgas den gewünschten
Drall zu verleihen. Zu diesem Zweck gleichen die ggf. rotationssymmetrisch
angeordneten Leitschaufeln einem Flugzeugpropeller der über n Propellerflügel verfügt. Hierbei
können
die einzelnen Propellerflügel
schräg
zur Strömungsrichtung des
eintretenden Abgases angeordnet sein. Aufgrund der Vielzahl der
Gestaltungsmöglichkeiten, lässt sich
eine gewünschte
Verwirbelung des Abgases mit der Umgebungsluft realisieren.
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Des
Weiteren kann die erfindungsgemäße Abgasanlage
zweckmäßigerweise
mit wenigstens einem Katalysatorelement zur Abgasbehandlung versehen
sein. Durch den Einsatz eines oder mehrerer Katalysatorelemente
wird eine Nachbehandlung des Abgases mit den im Abgas enthaltenen
(chemischen) Komponenten ermöglicht.
Dabei werden beispielsweise die vorhandenen Kohlenwasserstoffe mit Hilfe
des Restsauerstoffgehaltes zu Kohlendioxide und Wasser bzw. Kohlenmonoxide
umgesetzt. Da allerdings bei diesem chemischen Umwandlungsprozess
zusätzlich
Wärme freigesetzt
wird, erhitzen sich die an sich schon heißen Abgase zusätzlich.
Somit ist es weiter zweckmäßig, die
durch das Katalysatorelement geleiteten Abgase mittels eines nachgeordneten
Abgaskanals bereits innerhalb der Abgasanlage vorzukühlen. Dabei
sollen gleichzeitig die Funken im Abgas zum Erlöschen kommen. Zu diesem Zweck kann
ein zusätzliches
Funkenschutzsieb, insbesondere vor oder in dem Abgasverwirbler angeordnet sein.
Dieses Funkenschutzsieb erfüllt
die Aufgabe, die im Abgas eventuell noch vorhandenen Funken herauszufiltern,
damit diese nicht in die Umwelt gelangen. Bei einer besonders einfachen
Konstruktion ist das Funkenschutzsieb direkt vor oder nach den Leitschaufeln
angeordnet und kann zu Wartungszwecken entsprechend leicht ausgetauscht
werden, sofern der Abgasverwirbler mittels einer reversibel lösbare Verbindung
an der Abgasanlage oder im Abgasauslass angeordnet ist. Folglich
kann bei einer Demontage des Abgasverwirblers direkt das Funkenschutzsieb
mit gewechselt oder gewartet werden.
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Bei
einer besonders interessanten Ausführungsform der Abgasanlage
kann es vorgesehen sein, dass das Katalysatorelement in einer Katalysatorkammer
angeordnet ist und die Abgase, die aus der Katalysatorkammer geleitet
werden, durch einen Abgaskanal zum Abgasverwirbler geleitet werden, bevor
das Abgas durch den Abgasauslass in die Umgebung gelangt. Zusätzlich kann
zwischen dem Abgaskanal und dem Abgasverwirbler das bereits beschriebene
Funkenschutzsieb eingesetzt werden. Eine solche erfindungsgemäße Abgasanlage
weist nicht nur eine kompakte Bauweise auf, sondern erfüllt auch
die gesetzlichen Umweltvorschriften.
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Weiter
ist die Erfindung auch auf einen Abgasverwirbler gemäß des Anspruches
25 gerichtet. Dieser Abgasverwirbler weist dabei die Merkmale aus
einem der Ansprüche
1 bis 24 auf.
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Unterschiedliche
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher beschrieben.
Es zeigen in rein schematischer Darstellung:
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1 in
dreidimensionaler Ansicht eine erfindungsgemäße Abgasanlage mit einem Abgasverwirbler,
der fünf
propellerartige Leitflächen
aufweist,
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2 in
dreidimensionaler Explosionsansicht eine ähnliche erfindungsgemäße Abgasanlage – wie in 1 – mit einem
Abgasverwirbler mit vier Leitschaufeln,
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3 in
einer schaubildlichen Ansicht einen Abgasverwirbler mit fünf propellerartigen
Leitschaufeln,
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4a,
b, c in drei unterschiedlichen dreidimensionalen Ansichten einen
Einsatz für
einen Abgasverwirbler, der insgesamt vier ebene und kreissegmentförmige Leitschaufeln
aufweist,
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5a,
b einen weiteren Einsatz für
einen Abgasverwirbler, der ebenfalls vier ebene und kreissegmentförmige Leitschaufeln
aufweist, allerdings im mittleren Querschnittsbereich offen ausgestaltet
ist, und
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6a bis
e eine weitere Variante für
einen Abgasverwirbler in verschiedenen Ansichten, bei dem der Abgasverwirbler
teilweise aus der Abgasanlage ausgeformt ist, und
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7a bis
d in verschiedenen Ansichten eine Abgasanlage mit dem Abgasverwirbler
aus den 6a bis 6e.
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In
der 1 ist eine erfindungsgemäße Abgasanlage 100 in
dreidimensionaler Darstellung gezeigt. Dabei weist die Abgasanlage 100 einen
Abgasverwirbler 20 auf, der im Abgasauslass 12 angeordnet
ist. Dieser Abgasauslass 12 befindet sich in einer oberen
Gehäuseschale 11,
die mit einer unteren Gehäuseschale 11 zusammen
das Außengehäuse 10 bildet.
Die beiden unteren und oberen Gehäuseschalen 11 können durch
eine Schweißverbindung,
eine Umbördelung
oder durch die dargestellten Verbindungsmitteln 19 miteinander
gasdicht verbunden sein. In der 1 ist nicht
ein Abgaseinlass dargestellt, wodurch der Abgasstrom 31 direkt
aus einem Zylinder des Verbrennungsmotors in die Abgasanlage 100 gelangen
kann. Wie jedoch zu erkennen ist, kommt ein Abgasver wirbler 20 zum
Einsatz, der insgesamt fünf
propellerartige Leitschaufeln 23 aufweist, wobei die jeweiligen
Leitflächen
schräg
zum eintretenden Abgasstrom angeordnet sind. Hierdurch wird dem
austretenden Abgasstrom 31 ein Drall verliehen, wodurch
das Abgas 31 direkt hinter dem Abgasauslass 12 mit
der Umgebungsluft verwirbelt bzw. gemischt wird. Um möglichst
keine Strömungsverluste
durch den zusätzlich
eingesetzten Abgasverwirbler 20 zu verursachen, reichen
die einzelnen Leitschaufeln 23 vom Mittelpunkt 27,
der auch die Längsachse
des Abgasverwirblers 20 bildet, bis zur kreisförmigen Innenfläche des
Abgaskanals 15. Folglich wird die gesamte Querschnittsfläche des
Abgasverwirblers 20 bzw. des Abgasauslasses 12 zur
Verwirbelung des Abgasstromes 31 genutzt. Hierdurch kann
eine laminare Strömung
im Abgasstrom 31 vermieden wird. Damit wird eine optimale
Verwirbelung des Abgases direkt nach dem Austritt aus dem Abgasauslass 12 bewirkt.
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Aus
der 2 geht eine weitere erfindungsgemäße Abgasanlage 100 vor,
bei der ebenfalls ein Abgasverwirbler 20 im Abgasauslass 12 vorgesehen ist.
Dieser Abgasverwirbler 20 enthält im Wesentlichen ein eigenes
Gehäuse 21 und
ein in dem Gehäuse 21 vorgesehenen
Einsatz 22, an dem die Leitschaufeln 23 angeordnet
sind. Folglich ist der Abgasverwirbler 20 zweiteilig aufgebaut.
Hierdurch lässt sich
eine kostengünstige
Fertigung des Abgasverwirblers 20 erreichen. Auch die Montage
des Abgasverwirblers 20 wird durch diesen modularen Aufbau der
Abgasanlage 100 vereinfacht. Zusätzlich weist die Abgasanlage 100 ein
Katalysatorelement (nicht dargestellt) auf, welches innerhalb einer
Katalysatorkammer 13 angeordnet ist. Von der Katalysatorkammer 13 geht
ein Abgaskanal 15 aus, welcher mäanderförmig ausgestaltet ist und beim
Abgasverwirbler 20 endet. Zwischen dem Abgaskanal 15 und
dem Abgasverwirbler 20 kann zusätzlich zumindest ein Funkenschutzsieb
angeordnet sein. Um möglichst
eine einfache Ausgestaltung der Katalysatorkammer 13 und
des Abgaskanals 15 zu bewirken, sind zwei Kammerhälften 14 vorgesehen,
die die Katalysatorkammer 13 und gleichzeitig den Abgaskanal 15 bilden.
Bei diesen beiden Kammerhälften 14 handelt
es sich um eine obere und untere Kammerhälfte 14, die selbst
aus Blechformteilen bestehen können.
Diese beiden Kammerhälften 14 werden
durch Distanzstücke 17 ungefähr mittig
in der Abgasanlage 100 gehalten. Um die obere Kammerhälfte 14 mit
der unteren Kammerhälfte 14 zu
verbinden, können
zusätzliche Verbindungsmittel 19,
die aus einer Schraubenmutterverbindung bestehen, vorgesehen sein.
Ebenfalls ist es denkbar, dass die beiden Kammerhälften 14 durch
eine Umbördelung
ihres Randbereiches miteinander verbunden werden. Vorteilhafterweise
lässt sich
beim Einsatz von zusätzlichen
Verbindungsmitteln 19 auch der Abgasverwirbler 20 bzw.
sein Gehäuse 21 mit
den Kammerhälften 14 verbinden.
Hierzu sind in dem Gehäuse 21 des
Abgasverwirblers 20 Durchbrüche 30 vorgesehen,
die mit weiteren Durchbrüchen 30 in
den Kammerhälften 14 deckungsgleich angebracht
sind.
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Um
den Einsatz 22 sicher im Gehäuse 21 des Abgasverwirblers 20 anzubringen,
kann dieser form- und/oder kraftschlüssig im Gehäuse 21 vorgesehen
sein. Auch ist es denkbar, den Einsatz 22 zwischen dem
Rand des Abgasauslasses 12 und dem Verwirblergehäuse 21 einzuklemmen.
Bei einer besonderen Variante kann sogar der Einsatz 22 drehbar im
Gehäuse 21 angeordnet
werden.
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Weiterhin
ist bei der Abgasanlage 100 aus der 2 unterhalb
der Katalysatorkammer 13 ein Strömungsblech 16 mit Öffnungen
für einen
Abgasdurchtritt vorgesehen. Somit ist dieses Strömungsblech 16 zwischen
der unteren Kammerhälfte 14 und der
unteren Gehäuseschale 11 angeordnet.
Ebenfalls kann eine Flanschscheibe 18 zwischen dem Strömungsblech 16 und
der unteren Gehäuseschale 11 vorhanden
sein.
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Aus
der 3 geht ein Abgasverwirbler 20 hervor,
der in dreidimensionaler Darstellung wiedergegeben ist. Bei diesem
Abgasverwirbler 20 besteht das Gehäuse 21 aus einem Blechformteil.
In dem Gehäuse 21 ist
der Einsatz 22 mit insgesamt fünf propellerartigen Leitschaufeln 23 angeordnet.
Diese Leitschaufeln 23 weisen eine kreissegmentartige Kontur
auf, wobei die Kreissegmente ungefähr einen Winkel von 72° bilden (360°/5=72°, da fünf Leitschaufeln).
Die Flächen
der Leitschaufeln 23 sind schräg bzw. gekippt zur Strömungsrichtung
des eintretenden Abgasstromes 31 angeordnet. Die Breite 28 der
Leitschaufeln 23 geht im Wesentlichen von der Mitte 27, die
als feststehendes Element ausgebildet ist, bis zum kreisförmigen oder
ovalen Rand des zylinderartigen Einsatzes 22. Der Mittelpunkt 27 bzw.
die Längsachse 27 wird
durch eine fünfsternige
geschlossene Fläche
gebildet, von der die fünf
Leitschaufeln 23 radial ausgehen bzw. zusammenlaufen. Ebenfalls
ist es denkbar, anstelle der geschlossenen, mittigen Fläche beispielsweise
ein Rohr oder einen durchgehenden Zylinder einzusetzen, von dessen Außenrand
die Leitschaufeln 23 radial abgehen. Auch kann dieser mittlere
Querschnittsbereich offen ausgestaltet sein, wie nachfolgend noch
beschrieben wird.
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Wie
in der 3 zu erkennen ist, wird der Abgasstrom 31 durch
die seitliche Öffnung 29 in
den Abgasverwirbler 20 eingeleitet. Der Abgasstrom 31 wird
dann durch das Gehäuse 21 umgelenkt,
um auf den Einsatz 22 mit den Leitschaufeln 23 zu
treffen. Hierbei kann im Gehäuse 21 zusätzlich zumindest ein
Funkenschutzsieb eingesetzt werden. Dieses Funkenschutzsieb kann
zwischen dem Gehäuse 21 und
der oberen Kammerhälfte 14 angeordnet
und befestigt sein. Ebenfalls weist der Abgasverwirbler 20 noch
ein kurzes Rohrstück hinter
den Leitschaufeln 23 auf, welches entweder durch den Abgasverwirbler 20,
insbesondere den Einsatz 22, oder durch den rohrförmigen Abgasauslass 12 gebildet
werden kann.
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In
den 4a, b und c ist ein Ausführungsbeispiel für einen
Einsatz 22 des Abgasverwirblers 20 in dreidimensionaler
Darstellung dargestellt. Dabei zeigen die einzelnen 4a,
b und c jeweils unterschiedliche Ansichten des gleichen dreidimensionalen
Einsatzes 22. Zur Verdeutlichung der Funktionsweise des
Abgasverwirblers 20 bzw. des Einsatzes 22 und
der daran angeordneten Leitschaufeln 23 ist der Abgasstrom 31 in
dicken Pfeilen beispielhaft dargestellt.
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Die 4a zeigt
den Einsatz 22 im Wesentlichen von seiner Vorderseite 24.
Dabei wird die Vorderseite 24 durch den Abgasstrom 31 angeströmt. Dieser
Abgasstrom 31 trifft nun auf die kreissegmentförmigen Leitschaufeln 23,
welche schräg
nach hinten bzw. axial nach hinten verlaufen. Insgesamt sind vier
Leitschaufeln 23 bei dem Einsatz 22 vorgesehen. Um
eine möglichst
stabile Befestigung der Leitschaufeln 23 zu erreichen,
ist ein Kreuz als feststehendes Element in der Vorderseite 24 vorgesehen.
An jeweils einer Seite des Kreuzes geht eine Seite der Leitschaufel 23 ab.
Durch diese Seite wird die Breite 28 der Leitschaufel 23 vorgegeben.
Die Breite 28 entspricht im Wesentlichen dem Radius des
zylinderförmigen
Einsatzes 22 bzw. des kreisförmigen Gehäuse 21. Nachdem nun
das Abgas 31 auf die schräg nach hinten gerichteten Leitschaufeln 23 trifft,
wird es durch die ebenen Leitflächen
tangential zur Längsachse 27 durch
dreiecksförmige Öffnungen 26 geleitet.
Am Ende der offenen Seite der Leitschaufel 23 ist jeweils
eine dreiecksförmige Öffnung 26 vorgesehen. Folglich
sind für
die vier Leitschaufeln 23 auch vier dreiecksförmige Öffnungen 26 vorgesehen.
Die dreiecksförmige Öffnung wird
einerseits durch die unbefestigte Seite der Leitschaufel 23 gebildet
und andererseits aus einer Seite des bereits beschriebenen, feststehenden
Kreuzes auf der Vorderseite 24 und einer davon abgehenden
im Wesentlichen orthogonal angeordneten Seiten des kreisförmigen Randes
des Einsatzes 22.
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In
der 4b ist der gleiche Einsatz 22 aus 4a in
dreidimensionaler Seitenansicht dargestellt. Hierbei ist deutlich
die kreissegmentartige Leitfläche 23 zu
erkennen, die im vorliegenden Fall aus einem 90° Kreisbogensegment besteht (Viertelkreisbogen).
Ebenfalls ist die dreieckige Öffnung 26 gut sichtbar,
durch die das an der Leitschaufel 23 abgeleitete Abgas 31 dringt,
um dann mit dem erhaltenen Drall aus dem Einsatz 22 bzw.
dem Abgasauslass 12 austreten zu können. Dieser Drall des Abgasstromes 31 ist
beispielhaft durch die beiden Pfeile 31 dargestellt. Selbstverständlich kann
dieser Abgasstrom auch weiter radial nach außen erzeugt werden. Durch die
Anzahl n der Leitschaufeln 23 sowie die Ausgestaltung der
einzelnen Leitschaufeln 23 selbst, kann ein direkter Einfluss
auf den gewünschten
Drall des Abgasstromes 31 genommen werden.
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Der
vorliegende Einsatz 22 besteht aus einem Blechformteil,
was selbst kostengünstig
herzustellen ist. Um die Lebensdauer dieses Einsatzes 22 zu
erhöhen,
kann eine spezielle Legierung für
das Blech verwendet werden. Ebenfalls kann ein Edelstahlblech verwendet
werden. Auch ist es denkbar, den Einsatz 22 mit einer Oberflächenbeschichtung zu
versehen, wodurch die Standzeiten bzw. Lebensdauer des Einsatzes 22 verlängert werden
können.
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Die 4c zeigt
den bereits bekannten Einsatz 22 aus den 4a,
b. Jedoch wird diesmal besonders die Rückseite 25 des Einsatzes 20 dargestellt.
Dabei tritt das an der Vorderseite 24 auftreffende Abgas 31 auf
die vier Leitschaufeln 23 und wird durch diese durch die
vier dreiecksförmigen Öffnungen 26 durch
den Einsatz 22 selbst geleitet. Durch die vier Leitschaufel 23 wird
der Abgasstrom 31 in insgesamt vier Teilströme unterteilt.
Diese Abgasteilströme
treten tangential bzw. radial zur Längsachse 27 aus den
dreieckförmigen Öffnungen 26 aus.
Folglich hat der Abgasstrom 31 durch die Leitschaufel 23 den
gewünschten
Drall erhalten, damit er sich anschließend nach seinem Austritt aus
dem Abgasauslass 12 direkt mit der Umgebungsluft vermischen kann.
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In
den 5a, b wird ein weiterer Einsatz 22 für ein Abgasverwirbler 20 dargestellt.
Dieser Einsatz 22 weist ebenfalls vier Leitschaufeln 23 auf.
Der wesentliche Unterschied zu dem Einsatz 22 aus den 4a,
b, c besteht darin, dass hier die Leitschaufeln 23 im mittleren
Querschnittsbereich nicht befestigt sind. Folglich ist der mittlere
Querschnittsbereich um den Mittelpunkt 27 bzw. die Längsachse 27 offen ausgestaltet,
da auf ein feststehendes Element verzichtet worden ist. Somit steht
die gesamte Querschnittsfläche
für eine
Durchströmung
des Abgases 31 offen. Allerdings wird dadurch der äußere Teil
des Abgases 31 stärker
von den Leitschaufeln 23 umgelenkt als der innere Teil
des Abgases 31, der mehr oder weniger unbeeinflusst die
(kreuzförmige) Öffnung 26 des
Abgasverwirblers 20 passieren kann. Je nach Anströmgeschwindigkeit
des Abgases 31 kann trotzdem eine Verwirbelung des inneren
Teils vom Abgas 31 stattfinden, da dieser Teil durch den äußeren Teil
des Abgases 31 mitgerissen werden kann. Hierbei handelt
es sich um eine indirekte Umlenkung bzw. Verwirbelung des inneren
Teils.
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Wie
aus der 5a, die den Einsatz 22 im Wesentlichen
von seiner Vorderseite 24 darstellt, ersichtlich ist, wird
der Einsatz 22 auf seiner Vorderseite 24 vom Abgas 31 angeströmt, damit
das Abgas 31 dann gemischt und/oder verwirbelt an der Rückseite 25 aus
dem Einsatz 22 strömt.
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Im
Gegensatz zur 5a ist in der 5b der
Einsatz 22 im Wesentlichen von seiner Rückseite 25 dargestellt.
Hierbei ist besonders deutlich, das kurze Rohrstück des Einsatzes 22 hinter
den Leitschaufeln 23 erkennbar. Dieses kurze Rohrstück weist
im vorliegenden Fall einen kreisrunden Querschnitt auf. Die einzelnen
Leitschaufeln 23 sind dabei nur an der kreisrunden Außenwand
des Einsatzes 22 befestigt. Deutlich zu erkennen ist weiterhin,
die kreuzförmige Öffnung 26 im
mittleren Querschnittsbereich des Einsatzes 22. Außerdem ist
sichtbar, wie das austretende Abgas 31 zunächst noch
im kurzen Rohrstück
des Einsatzes 22 geführt
wird, bevor es dann endgültig
den Abgasauslass 12 verlassen kann, um in die Umgebungsluft
zu gelangen.
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Teilweise
kann sich – je
nach Strömungsgeschwindigkeit
des Abgasstromes 31 – ein
Sog im Bereich des Mittelpunktes 27 bilden, wodurch die
Umgebungsluft außerhalb
der Abgasanlage 100 mittig in den Abgasauslass 12 bzw.
den Einsatz 22 hineingesogen wird. Somit kommt es bereits
zu einer Vermischung der austretenden Abgase innerhalb des Abgasauslasses 12.
Um diesen Sog weiter zu forcieren, ist es ratsam, die abgelenkten
bzw. herausgeleiteten Abgasströme 31 innerhalb
eines kurzen Rohrstückes zu
führen,
damit die Sogwirkung, die sich im Bereich des Mittelpunktes 27 bildet,
verstärkt
wird.
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Die
dargestellten Einsätze 22 aus
den 4a, b, c sowie 5a, b
können – wie bereits
erwähnt – als ein
Blechformteil ausgestaltet sein. Allerdings kann der Einsatz 22 auch
als ein Gussteil, insbesondere ein Feingussteil, ausgestaltet sein.
Auch dieses Gussteil kann zusätzlich
oberflächenbeschichtet
werden. Selbstverständlich
ist es auch denkbar, dass der Abgasverwirbler 20 einteilig
aus einem Gehäuse 21 und
einem Einsatz 22 mit den entsprechenden Leitschaufeln 23 ausgestaltet
sein kann, sodass das Gehäuse 21 und
der Einsatz 22 ein Teil bzw. ein Stück bilden und insbesondere
materialeinheitlich ausgestaltet sind.
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In
den 6a bis e ist ein weiterer Abgasverwirbler 20 gezeigt,
bei dem das Gehäuse 21 und
der Einsatz 22 einteilig ausgestaltet sind. Das besondere dieses
Abgasverwirblers 20 liegt darin, dass der Abgasverwirbler 20 ganz
oder teilweise aus einer Gehäuseschale 11 bzw.
dem Außengehäuse 10 der
Abgasanlage 100 ausgeformt sein kann. Um eine besonders
preiswerte und einfache Konstruktion zu erhalten, kann ein weiterer
Aufsatz 11a im Bereich des Abgasauslasses 12 verwendet
werden. Dabei kann dieses Aufsatzblech 11a über Schweiß-, Niet-, Schraub-
oder Lötverbindungen
an dem Außengehäuse befestigt
werden. Bei dieser Variante ist es denkbar, das bereits beschriebene
Funkenschutzsieb zwischen den Leitschaufeln 23 und dem
zusätzlichen
Aufsatzblech 11a anzuordnen. Selbstverständlich kann
das Funkenschutzsieb auch vor den Leitschaufeln 23 anordbar
sein.
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In
der 6a ist eine Vorderansicht auf einen aus dem Außengehäuse 10 ausgeformten
Abgasverwirbler 20 dargestellt. Dabei sind durch den Abgasauslass 12 die
Leitschaufeln 23 des Abgasverwirblers 20 zu erkennen.
Diese Leitschaufeln 23 sind aus dem Außengehäuse 10 durch ein Tiefzieh-
oder sonstiges Formverfahren ausgeformt. Dieser Umformschritt für den Abgasverwirbler 20 kann
direkt beim Umformen des Außengehäuses 10 zur
Gehäuseschale 11 erfolgen.
Damit ist kein zusätzlicher
Fertigungsschritt erforderlich, wodurch eine deutliche Kosteneinsparung
möglich
ist. Ferner kann bei diesem Umformschritt durch die axiale Vertiefung
der Leitschaufeln 23 auch das Durchmesser-Höhenverhältnis im
Abgasverwirbler 20 bestimmt werden.
-
In
der 6b ist der Schnitt I-I durch die 6a dargestellt.
Hierbei wird deutlich, dass das Gehäuse 21 des Abgasverwirblers 20 einteilig
zum Einsatz 22 des Abgasverwirblers ausgestaltet ist. Sowohl
das Gehäuse 21 als
auch der Einsatz 22 werden dabei durch das Außengehäuse 10 gebildet.
Der Vorteil bei dieser Variante besteht darin, dass weniger Bauteile
und damit weniger Dichtstellen vorhanden sind. Es sei jedoch bemerkt,
dass der Abgasverwirbler 20 aus den 6a bis
e auch aus zusätzlichen
Blechteilen bestehen kann, die im Bereich des Abgasauslasses 12 auf
dem Außengehäuse 10 befestigt
werden.
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In
der 6c ist eine Rückansicht
auf den Abgasverwirbler 20 aus den 6a und
b gezeigt. Dabei ist deutlich zu erkennen, dass die vier Leitschaufeln 23 segmentartig
aus dem Außengehäuse 10 ausgeformt
worden sind. Bei diesem Umformprozess ist jedoch ein sternförmiger Mittelpunkt 27 stehen
geblieben. Selbstverständlich
ist es auch denkbar, beim Umformen auf diesen sternförmigen Mittelpunkt 27 zu
verzichten.
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In
den 6d und 6e ist
eine dreidimensionale Ansicht des Abgasverwirblers 20 dargestellt. In
beiden Figuren ist dabei die dreieckförmige Öffnung 26 nach den
Leitschaufeln 23 zu erkennen. Bei der hier vorliegenden
Variante des Abgasverwirblers 20 ist die Fläche sämtlicher Öffnungen 26 für einen Teilstrom
des Abgases 31 kleiner als die Querschnittsfläche des
Abgasauslasses 12. Somit kommt es zu einer Querschnittsreduzierung
im Abgasverwirbler. Sofern die Leitflächen 23 tiefer, d.h.
mit einer größeren axialen
Vertiefung aus dem Außengehäuse 10 ausgeformt
werden, kann sich die Gesamtfläche aller Öffnungen 26 vergrößern.
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In
den 7a bis d ist eine weitere Variante der Abgasanlage 100 mit
einem Abgasverwirbler 20 aus den 6a bis
e in verschiedenen Ansichten dargestellt.
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Die 7a und 7b zeigen
eine dreidimensionale Ansicht auf die Außenseite der Abgasanlage 100.
Dabei ist deutlich zu erkennen, dass der Abgasverwirbler 20 teilweise
aus dem Außengehäuse 10,
insbesondere der Gehäuseschale 11,
ausgeformt worden ist. Zusätzlich
kommt im Bereich des Abgasauslasses 12 ein Aufsatzblech 11a zum
Einsatz, wodurch der eigentliche röhrenförmige Abgasauslass 12 gebildet
wird.
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In
der 7c ist ein Schnitt II-II durch die 7b dargestellt.
Aus dieser Schnittzeichnung wird deutlich, dass der Abgasverwirbler 20 aus
der Gehäusehälfte 11 ausgeformt
worden ist. Ferner ist das zusätzliche
Aufsatzblech 11a zu erkennen.
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In
der 7d ist eine schematische Explosionsansicht von
den Außenteilen
der Abgasanlage 100 gezeigt. Auch in dieser Ansicht wird
deutlich, dass der Abgasverwirbler 20 mit seinen Leitschaufeln 23 und
den dazugehörigen Öffnungen 26 aus
der Gehäusehälfte 11 ausgeformt
worden ist. Ebenfalls wird deutlich, dass zwischen den Leitschaufeln 23 und
dem separaten Aufsatzblech 11a ein Funkenschutzsieb anordbar
ist. Dieses Funkenschutzsieb könnte
dann durch die Befestigung des Aufsatzbleches 11a mitgehalten
werden.
-
Abschließend ist
zu erwähnen,
dass die zuvor beschriebenen technischen Merkmale einzeln oder in
beliebiger Kombination für
die erfindungsgemäße Abgasanlage 100 bzw.
den Abgasverwirbler 20 verwendet werden können, sofern
sie sich nicht gegenseitig explizit ausschließen.
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- 100
- Abgasanlage
- 10
- Außengehäuse
- 11
- Gehäuseschale
- 11a
- Aufsatz
- 12
- Abgasauslass
in 11
- 13
- Katalysatorkammer
- 14
- Kammerhälfte
- 15
- Abgaskanal
- 16
- Strömungsblech
(mit Öffnungen)
- 17
- Distanzstück
- 18
- Flanschscheibe
- 19
- Verbindungsmittel
- 20
- Abgasverwirbler
- 21
- Gehäuse von 20
- 22
- Einsatz
von 20
- 23
- Leitschaufel
- 24
- Vorderseite
von 22
- 25
- Rückseite
von 22
- 26
- Öffnung für Abgasstrom
- 27
- Mittelpunkt/Längsachse
von 20 bzw. 22
- 28
- Breite
von 23
- 29
- Eingangsöffnung für Abgasstrom
- 30
- Durchbruch
für Verbindungsmittel
- 31
- Pfeil
für Abgasstrom