DE2033434B2

DE2033434B2 - Abgassammler ffir eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2033434B2
Application number: DE2033434A
Authority: DE
Inventors: George Edward Columbus Scheitlin; Frank Ludwig Seymour Zagar
Original assignee: Arvin Industries Inc
Current assignee: Meritor Inc
Priority date: 1970-01-02
Filing date: 1970-07-06
Publication date: 1979-02-08
Also published as: DE2033434A1; GB1301377A; FR2074857A5; JPS5014284B1; US3581494A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgassammler für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Abgassammler, der gleichzeitig als Schalldämpfer ausgebildet ist (US-PS 20 78 754, Fig. 4) ist der über ein Dämpfungsmaterial vom Außenmantel getrennte Innenmantel aus einzelnen perforierten Rohrstücken zusammengesetzt, die axial gleitend ineinandergreifen, wobei die Anzahl der Rohrstücke größer als die Anzahl der Einlaßstutzen ist und jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rohrstücken, in weiche ein Einlaßstutzen einmündet, ein weiteres perforiertes Rohrstück zwischengeschaltet ist, von denen zwei mit einem Auslaßstutzeii versehen sind. Bei diesem bekannten als Schalldämpfer ausgebildeten Abgassammler wird neben der Schalldämpfung zusätzlich eine Kühlung der Abgase durch ihre Expansion beim Austritt in das Schalldämpfungsmaterial angestrebt Hierdurch wird jedoch die mögliche Temperatur in den Kammern des Innenmantels reduziert, wodurch eine Nachverbrennung der im Abgas enthaltenen unverbrannten Bestandteile beeinträchtigt wird.

Bei einem anderen bekannten Abgassammler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Art (US-PS 26 11 238) werden hingegen höhere Temperaturen im

ίο Innenraum des Innenmantels erreicht, weil die ihn aufbauenden Rohrstücke den Innenmantel möglichst dicht umschließen. Bei diesem bekannten Abgassammler ist der Innenmante! jedoch als Doppelmantel ausgebildet, bei welchem die, die äußere Mantelwand bildenden Rohrstücke mit den die innere Mantelwand bildenden Rohrstücke über den Zwischenraum zwischen den Wänden überbrückende Verbindungsrohrstücke fest verbunden sind. Durch eine derartige Gestaltung des Innenmantels ist einerseits sein Aufbau kompliziert und hinsichtlich der Wärmespannungen unübersichtlich. Andererseits biidet die äußere Wand des Innenmantels eine verhältnismäßig große Oberfläche, die zu einer erheblichen Wärmeabstrahlung führen muß, da die äußeren Mantelteile durch die Verbindungs rohrstücke, welche Wärmebrücken bilden, mit den den Umwandlungsraum begrenzenden inneren Mantelteilen wärmeleitend verbunden sind. Da außerdem für die gegenseitige Abstützung der den Umwandlungsraum begrenzenden Rohrstücke eine verhältnismäßig große

>n Anzahl von Gleitverbindungen vorgesehen ist, sind verhältnismäßig hohe Abgasverluste vorhanden, wobei die durch die Spalte der Gleitverlbindungen austretenden Gase expandieren, wodurch ihre Temperatur herabgesetzt wird und es dadurdi zu einer gewissen Abkühlung des Innenmantels kommt Die bei diesem bekannten Abgassammler erzielbare Temperatur ist somit ebenfalls begrenzt, so daß eine möglichst weitgehende Abgasumwandlung im Abgassammler beeinträchtigt ist.

⁴⁽¹ Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst gegenüber der vorstehend bezeichneten bekannten Art von Abgassammlern eine einfachers, weniger aufwendige konstruktive Lösung zu finden, die auch als Nachverbrennungsvorrichtung für die Abgase dienen soll und bei Gewährleistung ausreichender thermischer Ausdehnungsmöglichkeit den Außenmantel weitgehend vor den im Innenmantel strömenden sehr heißen Gasen schützt

Dies wird durch die im Anspruch 1 beschriebene

^Γ)0 Erfindung erreicht.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung sind somit über die Merkmale, welche für den allerdings perforierten Innenmantel des eingangs beschriebenen Abgassammler-Schalldämpfers an sich bekannt sind, hinaus nur so

^r'^r' viele Rohrstücke vorgesehen wie Einlaßstutzen vorhanden sind. Hierdurch ist bei Gewährleistung ausreichender thermischer Ausdehnungsmöglichkeit des Innenmantels die Anzahl von möglichen Leckstellen klein gehalten, so daß die durch solche Leckstellen hervorge-

^W) rufenen Gasverluste, welche mit einer gewissen Abkühlung durch Expansion einhergehen, möglichst gering sind. Insgesamt kann durch die erfindungsgemäße Lösung eine verhältnismäßig hohe Temperatur im Umwandlungsraum des Abgassammlers erhalten wer-

^hr> den, so daß hier eine möglichst weitgehende Nachverbrennung von unverbrannten Bestandteilen im Abgas stattfindet.

Vorzugsweise wird von den Gleitverbindungen der

den Innenmantel bildenden Rohrstücke jeweils eine Querschnittseinschnürung der benachbarten Kammer gebildet Hierdurch wird die Verweilzeit der Abgase in den Nachverbrennungskammem erhöht, so daß der Umwandlungswirkungsgrad ebenfalls erhöht wird. Die Querschnittseinschnürungen können in weiterer Ausgestaltung von einem von dem zugehörigen Rohrstück radial einwärts abgesetzten Flansch gebildet sein. Hierzu ist vorzugsweise an dem Rohrstück in Höhe des Flansches ein mit diesem einen Ringspalt bildender ι ο Flanschripg angeordnet, wobei in den Ringspalt das benachbarte Rohrstück gleitend eingreift

Ferner ist vorzugsweise zwischen dem Innenmantel und dem Außenmantel eine Wärmedämmung aus kompressiblem Material angeordnet Durch die Korn- is pressibilität der Wärmedämmung wird vermieden, daß die thermischen Ausdehnungsmöglichkeiten des Innenmantels beeinträchtigt werden.

Die Wärmeisolierung des Innenmantels gegenüber dem Außenmantel kann weiter dadurch verbessert werden, daß die Einlaßstutzen eine Innenwand und eine Außenwand aufweisen, wobei die Innenwand wellrohrartig ausgebildet ist und nur mit den Wellenscheiteln an der Innenoberfläche der Außenwand dichtend anliegt. Hierdurch ist bei hinreichender Abstützung der Innenwand der Einlaßstutzen und damit des Innenmantels die räumliche Ausdehnung von Wärmebrücken zum Außenmantel möglichst gering.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispieien erläutert, die aus jo der Zeichnung ersichtlich sind. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsforrn eines Abgassammlers,

F i g. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1, r>

Fig.3 einen Längsschnitt einer abgeänderten Ausführungsform,

Fig.4 einen Querschnitt entlang der Linie 4-4 in Fig.3,

Fig. 5 einen Längsschnitt eines weiteren abgeänder- w ten Ausführungsbeispiels,

Fig.6 einen Querschnitt entlang der Linie 6-6 in Fig. 5,

Fig.7 einen Längsschnitt einer noch anderen Ausführungsformund ■>">

Fig.8 einen Querschnitt entlang der Linie 8-8 in Fig.7.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform weist der Abg^ssammler einen Außenmantel 10 und einen ebenso wie dieser aus Blech geformten Innenman- w tel 12 auf. Der Außenmantel besteht aus einem langgestreckten Gehäuse 11, das an den Enden mit Deckeln 13, 14 geschlossen ist, die über Schweißnähte 15 daran befestigt sind. Der Deckel 14 hat eine öffnung 16, an der eine auswärts vorstehende Auslaßstutzen- v> Außenwand 17 angeschweißt ist. Am äußeren Ende der Außenwand 17 ist, beispielsweise durch Schweißen, ein Flansch 18 für den Anschluß eines Auspuffrohres befestigt.

Aus dem Außenmantel U ragen mehrere in wi Längsabständen angeordnete Einlaßstutzen hervor, welche untereinander gleichen Aufbau haben und jeweils eine als Krümmerrohr ausgebildete Außenwand

20 aufweisen, die beispielsweise durch die Schweißnaht

21 am Gehäuse 11 befestigt ist und an deren äußerem b^r> Ende ein mit einem der Auslässe einer Brennkraftmaschine verbindbarer Flansch 24 beispielsweise durch eine Schweißnaht 22 befestigt ist.

Der Innenmantel J 2 ist Lm Abstand von dem Außenmantel 10 angeordnet und aus axial aufeinanderfolgenden Rohrstücken 30 zusammengesetzt, so daß eine Anzahl in gegenseitiger Verlängerung liegender Nachverbrennungskammem gebildet sind, jeweils eine Kammer für jeden Einlaßstutzen. Demgemäß hat die Ausführungsform nach F i g. 1 ein Paar Endkammern 26, 27, die über ein Paar Mittelkammern 28,29 miteinander in Verbindung stehen. Die einzelnen Kammern sind jeweils aus einem Rohmück 30 mit einem Paar beispielsweise durch einen Falz 33 daran befestigter Deckel 31,32 gebildet Zur Vermeidung von Spannungsbeulen sind die Deckel 31, 32 konvex gestaltet Die Deckel einander benachbarter Kammern sind in Längsabständen voneinander angeordnet Die Deckel 32 der einzelnen Kammern haben eine öffnung 35, in der ein in Längsrichtung aus dem Deckel 32 vorstehender, den Rand der öffnung 35 umgreifender Flansch 36 eingebördelt ist Die Deckel 31 der Kammern 27 bis 29 sind mit öffnungen 38 zur Aufnahme des Flansches 36 der jeweils benachbarten Kammer versehen. Die Flansche sind gleitend in den öffnungen 38 geführt, so daß die Kammern gegenseitig in Längsrichtung bewegbar sind. Der die Auslaßstutzen-Innenwand bildende Flansch 36 der Kammer 27 erstreckt sich nach außen innerhalb der Auslaßstutzen-Außenwand 17 und ist gleitend im Flansch 18 geführt. In dieser Weise sind die Kammern 26 bis 27 untereinander strömungsverbunden und gegeneinander gleitend beweglich.

Die die Nachverbrennungskammem bildenden Rohrstücke 30 weisen in der Axialmitte angeordnete öffnungen 42 auf, in denen jeweils das innere Ende der Einlaßstutzen-Innenwand 43 durch eine Bördelnaht 45 befestigt ist (F i g. 2). Die Einlaßstutzen-Innenwände 43 ragen durch öffnungen 46 im Außenmantel 10 und verlaufen in den Einlaßstutzen-Außenwänden 20. Über den größeren Teil ihrer Länge hin sind die Innenwände 43 im Abstand von den Außenwänden 20 geführt, an ihren äußeren Enden jedoch starr und abdichtend mit den Anschlußflanschen 24 verbunden.

Zwischen dem Innenmaniel 12 und dem Außenmantel 10 und benachbarten Kammern 26 bis 29 ist eine kompressible Wärmedämmung 48 eingelegt. Das gleiche Material ist auch zwischen den Einlaßstutzen-Außenwänden 20 und den Einlaßstutzen-Innenwänden 43 eingelegt, wobei die abdichtende Verbindung zwischen den Außen- und Innenwänden der Einlaßstutzen jegliche Berührung zwischen den Abgasen und der Wärmedämmung verhindert. Bei dieser Anordnung kann die Temperatur in dem Innenmantel bis auf 650 bis UOO⁰C ansteigen, auf Temperaturen also, die zur Verringerung der unverbrannten Abgasbestandteile ausreichen, während der Außenmantel bei einer Temperatur von 370 bis 550° C gehalten wird.

Im Betrieb strömen die nahe den (nicht dargestellten) Auslaßventilen mit Luft versetzten Abgase durch die Einlaßstutzen 20,43 in die Nachverbrennungskammem 26 bis 29 des Innenmantels. Der Aufbau des Innenmantels aus einzelnen Kammern bewirkt eine Verstärkung der Turbulenz der Abgase und der zugesetzten Luft und damit eine weitere Durchmischung. Darüber hinaus bewirkt die Aufteilung des Innenmantels in einzelne Kammern eine Verlängerung der Verweilzeit der Abgase und der Luft im Innenmantel. Die gleichmäßige Durchmischung ergibt zusammen mit der verlängerten Verweilzeit eine verlängerte Einwirkung der hohen Temperaturen auf die unverbrannten Abgasbestandtei-

le, so daß deren Oxidation vor dem Ausstoßen aus dem Abgassammler nahezu vollständig wird. Bei dieser Oxidation steigt die Temperatur der Abgase noch an, da die Wärmedämmung 48 die Wärme zurückhält. Dadurch tritt eine Ausdehnung der aus Blech gefertigten Rohrstücke des Innenmantels ein. Da jedoch die Innenwände 43 der Einlaßstutzen, der die Innenwand des Auslaßstutzens bildende Flansch 36 der Kammer 27 und die Wärmedämmung 48 den Innenmantel im Außenmantel führen und die Rohrstücke gleitend ineinander abgestützt sind, ist das Ausdehnen und Zusammenziehen des Innenmantels ohne Verformung des Außenmantels möglich.

Die in Fig.3 und 4 dargestellte Ausführungsform entspricht im Aufbau im wesentlichen der Ausführungsform nach F i g. 1 und 2, was durch die zahlenmäßig gleichlautenden Bezugszeichen ersichtlich ist Jedoch ist der Außenmantel 10' bei der Ausführungsform nach F i g. 3 und 4 ein Gußteil. Ferner sind die Einlaßstutzen-Innenwände 43' (F i g. 4) wellrohrartig ausgebildet und weisen daher in axialen Abständen ausgebildete Wellungen 52 auf, mit denen sie an der Innenfläche der jeweiligen Außenwand 20' satt anliegen. Die Wellungen bilden Dichtungen zwischen den Innenwänden und den Außenwänden der Einlaßstutzen und verhindern den Zutritt der Abgase zu der Wärmedämmung zwischen dem Innenmantel 12' und dem Außenmantel 10'.

Die in Fig.5 und 6 dargestellte Ausführungsform entspricht vom Aufbau her ebenfalls der in F i g. 1 und 2, was durch zwei übereinstimmende Endziffern der Bezugszahlen ersichtlich ist, die gegenüber denen aus den F i g. 1 und 2 um einhundert vermehrt sind. Bei der Ausführungsform in Fig.5, 6 sind jedoch die vom Innenmantel 112 gebildeten Nachverbrennungskammern nicht durch Trennwände voneinander getrennt s. Die Wand des die Kammer 126 bildenden Rohrstückes 130 ist an dem einen Ende etwas eingezogen, so daß ein Flansch 134 entsteht In Höhe des Flansches 134 ist ein mit diesem einen Ringspalt 136 bildender Flanschring 135 um die Außenseite des Rohrstückes 130 gelegt. In dem Ringspalt 135 ist das zugeordnete Ende des die benachbarte Kammer 128 bildenden Rohrstückes 130 gleitend geführt In entsprechender Weise ist jeweils ein Ende der die Kammern 128 und 129 bildenden Rohrstücke unter Ausbildung der Flansche 136', 136" eingezogen, die mit den Ringflanschen 135' und 135" Ringspalte 136' und 136" bilden, welche eine gleitende Führung für die Wand der jeweils benachbarten Kammer 129 bzw. 127 bildet In dieser Weise sind die Kammern in Längsrichtung zueinander und gegenüber dem Außenmantel 110 beweglich, so daß sich der Innenmantel bei Erwärmung und Abkühlung auszudehnen und zusammenzuziehen vermag. Zur Vermeidung jeglichen Festklemmens der Gleitführung zwischen den einzelnen Kammern können die Ränder der eingezogenen Flansche 134, 134' und 134" etwas einwärts abgebogen sein.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 7 und 8 sind die Teile, die mit vorher beschriebenen vergleichbar sind, mit um 100 gegenüber der Ausführungsform in F i g. 5 und 6 bzw. 200 gegenüber der Ausführungsform 1 und 2 vermehrten Bezugszahlen kenntlich. Der Außenmantel

210 ist gleich dem Außenmantel 10' (Fig.3 und 4) als Gußteil ausgebildet, jedoch an den Stirnenden durch Stirnwände 213 und 214 geschlossen. Der Auslaßstutzen 217, 239 ist hier an einer öffnung 216 an einer Längsseite des den Außenmantel bildenden Gehäuses

211 angeschlossen. Das äußere Ende der Auslaßstutzen-Außenwand 217 trägt einen Flansch 218, an dem ein Auspuffrohr anschließbar ist.

Die den Innenmantel 212 bildenden Rohrstücke 230 sind für die Nachverbrennungskammern 226, 228 und 229 jeweils an dem einen Ende mit einem radial nach außen abgesetzten Flansch 234 versehen, in welchem das benachbarte Ende des nächsten Rohrstückes gleitend geführt ist, so daß die Rohrstücke in Längsrichtung zueinander und gegenüber dem Außenmantel 210 beweglich sind und der Innenmantel beim Erwärmen und Abkühlen sich auszudehnen und zusammenzuziehen vermag. Umgekehrt könnte zur Bildung einer gleitenden Verbindung zwischen benachbarten Rohrstücken 230 auch jeweils ein Ende derselben eingezogen ausgebildet sein.

Von einer öffnung 238 in der Wand des die Kammer 229 bildenden Rohrstückes 230 erstreckt sich die Innenwand 239 des Auslaßstutzens nach außen (F i g. B). Zweckmäßig ist das innere Ende der Innenwand 239 mit einer Bördelnaht 240 in der öffnung 238 befestigt und liegt, beispielsweise mittels darin ausgebildeter Wellungen 241, an seinem äußeren Teil abdichtend und gleitend an der Innenwandung der Außenwand 217 des Auslaßstutzens an.

Der Innenmantel 212 und der Außenmantel 210 sind im wesentlichen in ihrer gesamten Ausdehnung in gegenseitigem Abstand angeordnet Der Zwischenraum zwischen den beiden Mänteln bildet einen isolierenden Luftmantel und ermöglicht das Ausdehnen und Zusammenziehen des Innenmantels gegenüber dem Außenmantel. Wie bei den anderen Ausfühmngsformen gestattet die Gleitpassung zwischen den benachbarten Abschnitten des Innenmantels ein unbehindertes Ausdehnen und Zusammen desselben bei Temperaturänderungen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Abgassammler fur eine Brennkraftmaschine, bei welchem in einem Außenmantel ein Innenmantel angeordnet ist, welcher im Abstand vom Außenmantel an diesem über eine Mehrzahl von quer einmündenden Einlaßstutzen und einen Auslaßstutzen abgestützt ist und welcher aus Rohrstücken zusammengesetzt ist, von denen den Innenraum des Innenmantels möglichst dicht umschließende, axial aufeinanderfolgende Rohrstücke über eine Gleitverbindung axial ineinandergreifen, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche den Innenmantel (12, 112, 212) bildenden Rohrstücke unter Ausbildung gleichartiger, axial aufeinanderfolgender Nachverbrennungskammern (26, 27, 28, 29) den Innenraum des Innenmantels begrenzen und jeweils über eise einzige Gleitverbindung aneinander abgestützt sind, und daß die Anzahl der Rohrstücke der Anzahl der Einlaßstutzen (Außenwand 20, Innenwand 43) entspricht

2. Abgassammler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Gleitverbindungen jeweils eine Querschnittseinschnürung der benachbarten Kammer gebildet ist.

3. Abgassammler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittseinschnürung von einem von dem zugehörigen Rohrstück radial einwärts abgesetzten Flansch (36, 36'; 134', 134") gebildet ist

4. Abgassammler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rohrstück in Höhe des Flansches ein mit diesem einen Ringspalt (136,136', 136") bildender Flanschring (135, 135', 135") angeordnet ist und in den Ringspalt das benachbarte Rohrstück gleitend eingreift

5. Abgassammler nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Innenmantel (12) und dem Außenmantel (10) eine Wärmedämmung (48) aus kompressiblem Material angeordnet ist.

6. Abgassammler nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßstutzen eine Innenwand (43', 241) und eine Außenwand (20', 217) aufweisen, wobei die Innenwand wellrohrartig ausgebildet ist und nur mit den Wellenscheiteln an der Innenoberfläche der Außenwand dichtend anliegt.