DE4134766A1 - Auspuffkruemmersystem fuer einen quer angeordneten v-motor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Auspuffkrümmersystem für einen zum Quereinbau in einem Kfz bestimmten V-Motor.

Der Vorderradantrieb mit vorne eingebautem Motor setzt sich im Kraftfahrzeugbau immer mehr durch, da er ein größeres Raumangebot und mehr Beweglichkeit ermöglicht. Bei Fahrzeugen dieser Bauart wird der Motor quer zum Fahrzeug eingebaut, d. h. die Kurbelwelle des Motors verläuft aus konstruktiven Gründen quer zur Längsachse des Fahrzeugs. Bei Mehrzylindermotoren wird häufig - zur Verkürzung der Motorlänge - die V-Bauweise verwendet, da ein längerer Motor nicht in den Motorraum passen bzw. das Fahrzeug sonst zu breit werden würde.

Bei solchen zum Quereinbau bestimmten V-Motoren verwendet man sowohl für die vordere Zylinderreihe wie für die hintere Zylinderreihe einen separaten Auspuffkrümmer. Der Auspuffkrümmer für die vordere Zylinderreihe wird an einem vorderen Abschnitt derselben montiert, und der Auspuffkrümmer für die hintere Zylinderreihe wird an einem rückwärtigen Abschnitt derselben montiert.

Im allgemeinen werden Auspuffkrümmer für Motoren entweder durch Gießen von Metall oder durch Schweißen von rostfreiem Stahl hergestellt. Dies gilt auch für V-Motoren zum Quereinbau, d. h. bei diesen werden Auspuffkrümmer, die nach derselben Methode (entweder Gießen oder Schweißen) hergestellt sind, sowohl für die vordere wie für die hintere Zylinderreihe hergestellt.

Soll man die Auspuffkrümmer für die linke und die rechte Zylinderreihe eines V-Motors konstruieren, der zum Längseinbau in ein Kraftfahrzeug bestimmt ist, d. h. bei dem die Längsrichtung der Kurbelwelle mit der Längsrichtung des Fahrzeugs übereinstimmt, so ergeben sich für beide Motorhälften etwa dieselben Bedingungen, d. h. das Raumangebot, die Temperatur, und der Abstand von einem zum Reinigen der Abgase dienenden Katalysator, unterscheiden sich nicht wesentlich voneinander. Dies ist jedoch anders bei einem zum Quereinbau bestimmten V-Motor: Da sich die Zylinderreihen entweder auf der Vorder- oder auf der Rückseite des Motors befinden, unterscheiden sich die Bedingungen, z. B. Raumangebot, Temperatur und Abstand zum Katalysator, erheblich voneinander.

Zum Beispiel wird der Motor im Motorraum so nahe wie möglich an das Zentrum des Fahrzeugs herangerückt, und demzufolge ist der verfügbare Raum für den Auspuffkrümmer der hinteren Zylinderreihe kleiner als derjenige für den vorderen Auspuffkrümmer. Da ferner der hintere Auspuffkrümmer auf der Rückseite des Motors liegt, wird er während der Fahrt nur wenig vom Fahrtwind gekühlt, im Gegensatz zum vorderen Auspuffkrümmer. Der hintere Auspuffkrümmer muß also so ausgelegt werden, daß der Weg der Abgase in ihm im Zickzack verläuft, da er in einen kleinen Raum "gequetscht" werden muß, und seine Hitzefestigkeit muß größer sein als diejenige des vorderen Auspuffkrümmers, da der hintere Auspuffkrümmer nur wenig gekühlt wird.

Wird jedoch der Auspuffkrümmer für die vordere Zylinderreihe so ausgelegt, daß seine Hitzefestigkeit derjenigen des Auspuffkrümmers für die hintere Zylinderreihe entspricht, dann ist seine Hitzefestigkeit größer als nötig, was sein Gewicht und damit seine Wärmekapazität erhöht und zu erhöhten Herstellungskosten führt.

Es wird ferner die Forderung gestellt, daß der Katalysator möglichst rasch nach dem Starten des Motors seine Betriebstemperatur erreicht und dadurch die Abgase wirksam reinigt. Der Abstand vom vorderen Auspuffkrümmer zum Katalysator ist jedoch unvermeidlich größer als derjenige vom hinteren Auspuffkrümmer. Deshalb sollte die Wärmekapazität des vorderen Auspuffkrümmers klein sein, so daß die Abgase von der vorderen Zylinderreihe durch den dortigen Auspuffkrümmer nicht übermäßig abgekühlt werden.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein neues Auspuffkrümmersystem bereitzustellen, das sich für einen zum Quereinbau bestimmten V-Motor eignet, wobei insbesondere eine verbesserte Reinigung der Abgase angestrebt wird.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen. Man erreicht so, daß das erfindungsgemäße Auspuffkrümmersystem genügend hitzefest ist, einen kompakten Aufbau hat und folglich auch in einen kleinen Motorraum paßt, und daß der Katalysator nach dem Starten des Motors rasch aktiviert wird, so daß die Reinigung der Abgase verbessert wird. Da der Auspuffkrümmer für die hintere Zylinderreihe aus Gußeisen hergestellt wird, kann man das System kompakt ausbilden, man kann den Motor möglichst nahe beim Zentrum des Fahrzeugs anordnen, und die Länge des Motorraumes kann reduziert werden. Dagegen wird der Auspuffkrümmer für die vordere Zylinderreihe aus rostfreien Rohren zusammengeschweißt, wodurch sich sein Gewicht und seine Wärmekapazität verringern lassen, und die Mengen an toxischen Bestandteilen der Abgase können reduziert werden, da sowohl das Gewicht des Motors wie die nach dem Starten des Motors benötigte Zeit für die Aktivierung des Katalysators reduziert werden.

Mit Vorteil wird das erfindungsgemäße Auspuffkrümmersystem in der Weise weitergebildet, daß der vordere Auspuffkrümmer an der zur Verbindung mit der vorderen Zylinderreihe vorgesehenen Stelle einen Anschlußflansch aus Kohlenstoffstahl aufweist.

Da dieser Anschlußflansch vom Motorblock mitgekühlt wird, genügt hier ein üblicher Baustahl.

Eine weitere, bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre des vorderen Auspuffkrümmers aus rostfreiem Stahl vom Typ SUS430LX hergestellt sind. Es hat sich gezeigt, daß dieser Stahltyp besonders gut den verschiedenen Anforderungen genügt, die an einen solchen Auspuffkrümmer gestellt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Auspuffkrümmer auf seiner Auspuffrohrseite einen Anschlußflansch aus rostfreiem Stahl vom Typ SUS410L aufweist. Wegen der erhöhten Beanspruchungen an dieser Stelle hat sich diese Stahlsorte als besonders vorteilhaft erwiesen.

Die vorstehend angegebenen Stahlbezeichnungen entsprechen dem japanischen Normenwerk. Außerdem ist in der nachfolgenden Tabelle 2 die Zusammensetzung dieser Stahlsorten angegeben.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispiel, sowie aus den übrigen Unteransprüchen. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines quer angeordneten V-Motors mit einem Auspuffkrümmersystem nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Vorderansicht eines vorderen Auspuffkrümmers,

Fig. 3 ein Schaubild, welches Änderungen der Abgastemperatur an verschiedenen Teilen von Abgassystemen zeigt, die mit einem vorderen Auspuffkrümmer aus rostfreiem Stahl (SUS) bzw. mit einem vorderen Auspuffkrümmer aus Gußeisen (FCD) ausgerüstet sind,

Fig. 4 ein Schaubild, welches über der Zeit die Änderungen der Abgastemperatur an den Einlässen des Hauptkatalysators zeigt, und zwar einmal für einen Motor, der mit einem Auspuffkrümmersystem ausgerüstet ist, welches einen vorderen Auspuffkrümmer aus rostfreiem Stahl (SUS) verwendet, und zum anderen für einen Motor, der mit einem Auspuffkrümmersystem ausgerüstet ist, welches einen vorderen Auspuffkrümmer aus Gußeisen (FCD) verwendet, und

Fig. 5 ein Schaubild, welches die relativen Emissionskennwerte von Abgassystemen zeigt, die mit einem vorderen Auspuffkrümmer aus rostfreiem Stahl (SUS) bzw. mit einem vorderen Auspuffkrümmer aus Gußeisen (FCD) ausgerüstet sind.

In der nachfolgenden Beschreibung beziehen sich die Begriffe "vorne" und "hinten" auf die normale Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeugs.

Fig. 1 zeigt einen V-Motor 1, der zum Quereinbau in ein Kraftfahrzeug bestimmt ist, und zwar gesehen von der Seite des betreffenden Kraftfahrzeugs aus. Dieser V-Motor 1 hat eine vordere Zylinderreihe 2 und eine hintere Zylinderreihe 3, die jeweils mehrere Zylinder 2a bzw. 3a aufweisen. Ein vorderer Auspuffkrümmer 4 und ein hinterer Auspuffkrümmer 5 sind an den zugeordneten Zylinderreihen montiert, um Abgas von den Zylindern zu einem Auspuffrohr 10 zu leiten, das nachfolgend erläutert wird.

Der vordere Auspuffkrümmer 4 ist, wie dargestellt, an der Vorderseite der vorderen Zylinderreihe 2 befestigt, und er ist aus geschweißten Rohren aus rostfreiem Stahl hergestellt, wie nachfolgend erläutert werden wird. Der hintere Auspuffkrümmer 5 ist, wie dargestellt, an der Rückseite der hinteren Zylinderreihe 3 montiert, und er ist durch Gießen hergestellt, also aus einem Gußwerkstoff. Über Turbolader 6 bzw. 7 sind die Auspuffkrümmer 4, 5 an Auspuffrohre 8 bzw. 9 angeschlossen, und letztere sind ihrerseits an das Haupt-Auspuffrohr 10 angeschlossen.

In den Auspuffrohren 8, 9 sind vordere Katalysatoren 11 bzw. 12 angeordnet, und im Haupt-Auspuffrohr 10 ist ein Hauptkatalysator 13 angeordnet, wie das Fig. 1 klar zeigt. Der Pfeil 60 der Fig. 1 zeigt die Richtung der Luft, die bei Vorwärtsfahrt von vorne in den Motorraum strömt, d. h. in Fig. 1 ist "vorne" rechts und "hinten" links.

Fig. 2 zeigt Einzelheiten des vorderen Auspuffkrümmers 4. Dieser weist ein erstes Rohr 41 auf, dessen eines Ende sich zur Auslaßöffnung eines ersten Zylinders öffnet und dessen anderes Ende mit dem Turbolader 6 verbunden ist. Das Rohr 41 erstreckt sich im wesentlichen quer zum Fahrzeug längs des Zylinderkopfs der vorderen Zylinderreihe und in Richtung zu einem fünften Zylinder. Ein drittes Rohr 42 und ein fünftes Rohr 43, die an einem Ende offen sind, enden an den Auslaßöffnungen des dritten Zylinders bzw. des fünften Zylinders und sind jeweils mit ihrem anderen Ende mit Zwischenabschnitten des ersten Rohres 41 durch Schweißen verbunden und stehen so mit dem ersten Rohr 41 in Verbindung. Ein Zylinderkopfflansch 44 ist an die auslaßöffnungsseitigen Enden der Rohre 41, 42 und 43 angeschweißt. Und an das turboladerseitige Ende des ersten Rohres 41 ist ein auslaßseitiger Flansch 45 angeschweißt.

Die Rohre 41, 42 und 43 weisen jeweils ein Rohr aus rostfreiem Stahl auf, vorzugsweise ein Rohr aus ferritischem rostfreiem Stahl, mit einer Wandstärke von ca. 2,5 mm. Nach derzeitigen Erkenntnissen ist der geeignetste Stahl SUS430LX. Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt einen Vergleich zwischen Rohren aus verschiedenen rostfreien Stählen hinsichtlich Verformbarkeit, Schweißbarkeit, Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsfestigkeit, ausgehend von SUS430LX als Vergleichsnormal. Die Verformbarkeit wurde ausgewertet hinsichtlich des Kriteriums Biegbarkeit. In der Tabelle 1 bedeuten

 Überlegenheit
○ Gleichwertigkeit
∆ Unterlegenheit,

jeweils bezogen auf SUS430LX. Die Tabelle 1 zeigt zum Vergleich auch die Eigenschaften von Sphäroguß FCD50HS, wie er zweckmäßig für den hinteren Auspuffkrümmer 5 verwendet wird. Die Tabelle 2 gibt die chemische Zusammensetzung der angegebenen Stähle an. Bei den meisten angegebenen Stählen handelt es sich um japanische Normstähle, mit der Ausnahme von AISI409.

Tabelle 1

Für den Auslaßflansch 45 des vorderen Auspuffkrümmers 4 wird rostfreier Stahl, bevorzugt SUS410L, verwendet, und zwar wegen seiner Kriechfestigkeit, Oxidationsfestigkeit und wegen der Werkstoffkosten. Der zylinderkopfseitige Flansch 44 steht in Berührung mit dem wassergekühlten Zylinderkopf und wird durch diesen gekühlt, und deshalb ist seine Temperatur beim Betrieb des Motors niedrig. Deshalb ist es nicht notwendig, für den Flansch 44 rostfreien Stahl zu verwenden, und man kann einen gewöhnlichen Kohlenstoff-Konstruktionsstahl, z. B. JIS SS41, verwenden.

Der Auspuffkrümmer 5 der hinteren Zylinderreihe 3 ist aus Gußeisen hergestellt, z. B. aus Sphäroguß FCD 50 HS. Die Auslaßöffnungen des Auspuffkrümmers 5 haben eine Wandstärke von z. B. 4 mm, oder in dieser Größenordnung.

Da der auf Motor an einem Fahrzeug so nahe wie möglich bei dessen Mittelpunkt angeordnet wird, wie bereits erwähnt, sind die Platzprobleme für den Auspuffkrümmer 4 der vorderen Zylinderreihe 2 relativ gering. Außerdem wird der vordere Auspuffkrümmer 4 bei der Fahrt des Fahrzeugs durch den Fahrtwind gekühlt. Demgemäß kann die Wärmefestigkeit des Auspuffkrümmers 4 relativ gering sein, und es werden dünne Rohre aus rostfreiem Stahl verwendet, um das Gewicht und die Wärmekapazität zu verringern.

Andererseits ist der Raum für den Auspuffkrümmer 5 der hinteren Zylinderreihe 3 begrenzt, verglichen mit dem Auspuffkrümmer 4 für die vordere Zylinderreihe 2, und der Auspuffkrümmer 5 wird bei der Fahrt des Fahrzeugs nur wenig durch den Fahrtwind gekühlt, da er ja auf der Rückseite des Motors 1 angeordnet ist. Demgemäß ist seine Temperaturbeanspruchung stärker als diejenige des Auspuffkrümmers 4 der vorderen Zylinderreihe 2, während seine Wärmekapazität, selbst wenn sie groß ist, keinen großen Einfluß auf die Verringerung der Aktivierungszeit des Hauptkatalysators 13 beim Start des Motors hat, da der Auspuffkrümmer 5 nahe beim Hauptkatalysator 13 angeordnet ist. Deswegen wird Gußeisen verwendet, um die Wärmefestigkeit zu erhöhen. Da der Auspuffkrümmer 5 aus Gußeisen hergestellt wird, kann man seine Form, Wandstärke etc. entsprechend den Erfordernissen frei wählen, und der Auspuffkrümmer 5 kann sehr kompakt gebaut werden. Man kann z. B. die Wandstärken der Auslaßöffnungen und anderer Abschnitte, die eine hohe Wärmefestigkeit erfordern, ohne weiteres größer machen als diejenigen der anderen Abschnitte, so daß man insgesamt eine ausreichende Wärmefestigkeit erhält.

Fig. 3 zeigt Temperaturänderungen an verschiedenen Stellen A bis E (vgl. Fig. 1) des Abgassystems unter Verwendung des Auspuffkrümmers 4 aus rostfreiem Stahl gemäß der Erfindung. In Fig. 3 zeigen die strichpunktierten Linien die Temperaturänderungen an, die man erhält, wenn der vordere Auspuffkrümmer aus Gußeisen hergestellt ist. In beiden Fällen wurden die Temperaturänderungen an den verschiedenen Teilen nach Ablauf vorgegebener Zeitspannen, bezogen auf den Start des Motors, gemessen, wobei der Motor auf der Prüfbank einem Abgastest im LA4-Modus unterzogen wurde. Betrachtet man die Abgastemperatur am Einlaß des Katalysators nach Ablauf von 20 Sekunden seit Start des Motors, so ist die Abgastemperatur des Abgassystems bei Verwendung des vorderen Auspuffkrümmers aus rostfreiem Stahl (SUS) signifikant höher als diejenige eines Abgassystems, bei dem ein vorderer Auspuffkrümmer aus Gußeisen (FCD) verwendet wird, und es ist klar, daß eine signifikante Reduzierung der Wärmekapazität des Auspuffkrümmers gegeben ist.

Fig. 4 zeigt in Abhängigkeit von der Zeit Änderungen der Abgastemperatur am Einlaß D des Hauptkatalysators 13, wobei der Abgastest im bereits erwähnten LA4-Modus durchgeführt wurde. Die Zeit, die zur Aktivierung des Katalysators im Abgassystem unter Verwendung des vorderen Auspuffkrümmers aus rostfreiem Stahl erforderlich ist, d. h. die Zeit, die nötig ist, bis die Einlaßtemperatur des Katalysators 300°C erreicht, war kürzer als diejenige bei einem Abgassystem unter Verwendung des Auspuffkrümmers aus Gußeisen. Die Zeitdifferenz betrug M Sekunden (etwa 12% der Zeit, die erforderlich ist, damit die Einlaßtemperatur des Katalysators 300°C erreicht, wenn man einen Auspuffkrümmer aus Gußeisen verwendet). Als Ergebnis der Reduzierung der Aktivierungszeit des Katalysators konnten die Mengen an toxischen Bestandteilen (CO, HC, NO_x) im Abgas reduziert werden, wie in Fig. 5 dargestellt. Ausgehend von den Bezugs-Emissionswerten (100%) für den Fall, der vordere Auspuffkrümmer aus Gußeisen verwendet wurde, wurden die Mengen an Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffen (HC) und Stickoxiden (NO_x) alle reduziert, wenn der vordere Auspuffkrümmer 4 aus rostfreiem Stahl (SUS) verwendet wurde, und auf diese Weise konnte das Abgas wirkungsvoll gereinigt werden.

Wie bereits beschrieben, werden Rohre aus rostfreiem Stahl für den Auspuffkrümmer der vorderen Zylinderreihe eines V-Motors in Queranordnung verwendet, und Gußeisen wird für den Auspuffkrümmer der hinteren Zylinderreihe verwendet, wodurch der Auspuffkrümmer der vorderen Zylinderreihe genügend hitzefest und leicht ist und das Abgas wirkungsvoll gereinigt werden kann, wie in Fig. 5 dargestellt. Auch ermöglicht die Herstellung des hinteren Abgaskrümmers aus Gußeisen eine Reduzierung der Größe und der Herstellungskosten. Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Abwandlungen und Modifikationen möglich, ohne das Grundkonzept der Erfindung zu verlassen.

Claims (4)

1. Auspuffkrümmersystem für einen zum Quereinbau bestimmten V-Motor (1), bei welchem sich - im eingebauten Zustand - eine Motorausgangswelle in derselben Richtung erstreckt wie eine Querrichtung eines Kraftfahrzeugs, welcher Motor (1) eine vordere Zylinderreihe (2) und eine hintere Zylinderreihe (3) aufweist, von denen jede eine Mehrzahl von Zylindern (2a, 3a) hat, mit einem vorderen Auspuffkrümmer (4) zum Weiterleiten der von den Zylindern (2a) der vorderen Zylinderreihe (2) abgegebenen Abgase zu einem Auspuffrohr (10), und mit einem hinteren Auspuffkrümmer (5) zum Weiterleiten der von den Zylindern (3a) der hinteren Zylinderreihe (3) abgegebenen Abgase zum Auspuffrohr (10), dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Auspuffkrümmer (4) aus rostfreien Stahlrohren geschweißt ist , und daß der hintere Auspuffkrümmer (5) aus Gußeisen hergestellt ist.

2. Auspuffkrümmersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Auspuffkrümmer (4) an der zur Verbindung mit der vorderen Zylinderreihe (2) vorgesehenen Stelle einen Anschlußflansch (44) aus Kohlenstoffstahl aufweist.

3. Auspuffkrümmersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (41, 42, 43) des vorderen Auspuffkrümmers (4) aus rostfreiem Stahl vom Typ SUS430LX hergestellt sind.

4. Auspuffkrümmersystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Auspuffkrümmer (4) auf seiner Auspuffrohrseite einen Anschlußflansch (45) aus rostfreiem Stahl vom Typ SUS410L aufweist.