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Abgasleitsystem für Verbrennungsmotoren an Kraftfahrzeugen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Abgasleitsystem zum Ableiten der Abgase aus dem Verbrennungsmotor
eines Kraftfahrzeugs, welche bei einem Mehrzylindermotor aus anfangs mehreren, später
miteinander verbundenen Leitungen besteht, wobei die nachfolgenden Leitungsabschnitte
gegebenenfalls erforderliche Auspufftöpfe aufweisen.
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Es ist bekannt, daß das Abgasleitsystem des Verbrennungsmotors eines
Kraftfahrzeugs in den letzten Jahren in Verbindung mit den Problemen der Luftverschmutzung
eine Entwicklung erfahren hat: Es gibt tatsächlich eine Anzahl von Fällen, in denen
die vorgeschlagenen Lösungen für dieses Problem einen beträchtlichen Temperaturanstieg
der entlang
mehrerer Abschnitte des Leitsystems geführten Gase erfordern
oder mit sich bringen. In einigen Fällen war es ratsam oder notwendig, die nachteiligen
Wirkungen eines derartigen Temperaturanstiegs zu verhindern. Die zur Zeit für das
Abgasleitsystem verwendeten Materialien können nicht mehr an höhere Temperaturen
angepaßt werden (sodaß die Verwendung kostspieligerer Materialien unumgänglich ist).
Zudem kann die erhöhte Wärmeübertragung nach außen - genauergesagt auf den Motorraum
unter der Haube - für die Arbeitsweise der der Wärme ausgesetzten Teile nicht mehr
akzeptiert werden. In anderen Fällen ist es umgekehrt erforderlich, daß die Abkühlung
der Gase verhindert wird, da deren hohe Temperatur gewisse Nachverbrennungserscheinungen
bei den noch nicht verbrannten Bestandteilen der Auspuffgase fördert.
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Es sind bereits Verbesserungen im Abgasleitsystem bekannt, mit deren
Hilfe einige der oben angeführten neuen Probleme gelöst werden sollen. Diese bekannten
Verbessrungen bestehen darin, das Abgasleitsystem (oder Teile desselben) mit einer
geeigneten wärmeisolierenden Umkleidung auszustatten, die auf der Verwendung einer
wärmeisolierenden oder wärmebeständigen Materialschicht oder auf der Schaffung einer
umkleideten Wandung beruht, so daß die zwischen den beiden zusammengehörigen Wandungen
eingeschlossene Luft als Isolierschicht wirkt.
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Diese herkömmlichen Versuche weisen jedoch beträchtliche Nachteile
auf, zu denen die folgenden Punkte zählen:
a) Das Material, aus
dem das Abgasleitsystem besteht, wird wegen der äußeren Isolierschicht auf immer
höhere Temperaturen erwärmt, so daß es unumgänglich wird, auf Materialien zurückzugreifen,
die eine bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen aufweisen, die
jedoch kostspieliger sind.
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b) Während der Übergangsphasen (genauer gesagt nach dem Starten des
kalten Motors) wird eine beträchtliche Wärmemenge von den Gasen in das das Abgasleitsystem
bildende Material abgeleitet: während~ dieser Übergangsphase erfährt das Gas somit
eine beträchtliche abkühlung, die mögliche Nachverbrennungsreaktionen der noch unverbrannten
Bestandteile verhindern kann.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die vorgenannten Nachteile
zu vermeiden, indem die Wärmeisolierung des Abgasleitsystems - oder gewisser Teile
desselben - in den das Abgasleitsystem bildenden Wandungen vorgesehen ist, so daß
diese durch die Einwirkung der Wärmeisolierung mehr gekühlt als erwärmt werden.
Außerdem sollen die zur Zeit verwendeten Materialien nicht durch kostspieligere
ersetzt werden, sondern es wird möglich, für diesen Zweck auch weniger aufwendige
Materialien an deren Stelle zu verwenden. Zudem soll'gemäB der Aufgabe dieser Erfindung
die Abkühlung der Abgase bei den Wärmeübergängen auf ein Minimum eingeschränkt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Abgasleitsystem der eingangs
beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die
Wandungen des Abgasleitsystems
an ihren Innenflächen mit einer Wärmeisolierung mit geringer Dicke versehen sind,
wodurch der Wärmeaustausch zwischen den Abgasen und den Wandungen auf ein Mindestmaß
reduziert ist, und daß die Wandungen an ihrer Außenseite nicht wärmeisoliert sind,
da ihre Betriebstemperatur nicht viel höher als die Temperatur der Außenluft ist.
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Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, eine praktische Ausführungsform
der im Vorhergehenden angedeuteten Verbesserungen zu schaffen, die Je nach den besonderen
Problemen, die bei einer Einrichtung wie dem Abgasleitsystem aurtreten, untersucht
wurde. Die Verwendung dner wärmeisolierenden Vorrichtung ist tatsächlich nicht ratsam,
da diese eine ziemlich dicke Schicht erfordert, damit ein entsprechendes Maß an
Wärmeisolierung erzielt wird, was jedoch überhohe Kosten mit sioh bringen würde.
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Vor allem jedoch sollte eine solche Lösung beiseite geschoben werden,
da es für den Einbau eines Abgasleitsystems in einem Kraftfahrzeug nicht genügend
Raum gibt, und da sich ein viel zu hohes Gewicht ergeben würde.
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Andererseits ist es bekannt, daß die bekanntesten Wärmeisolatoren
unbewegte gasförmige Strömungsmittel sind, da sie einen niedrigen Leitfähigkeitskoeffizienten
haben, wenn die für die Wärmeübertragung dadurch die Masse des Strömungsmittels
und für die Anregung dieser Ubertragung
verantwortlichen Konvektionsströmungen
nicht vorhanden sind. Um nun die im Vorhergehenden genannten Probleme zu lösen,
wird zwischen die Abgase und die Wandungen des Abgasleitsystems ein unbewegtes gasförmiges
Strömungsmittel eingeleitet, welches die Lücke füllt, die durch eine zusätzliche
Wandung aus dünnem vorzugsweise gewelltem - Metallblech bzw. Blech aus rostfreiem
Stahl gebildet wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß das gasförmige
Strömungsmittel in einer stark porösen Schicht aus keramischem Material enthalten
ist, welches auf die Innenfläche der -Wandungen des Abgasleitsystems aufgebracht
ist.
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Im folgenden werden nun weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung
anhand einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
näher beschrieben und erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Ansicht - teilweise im Schnitt
- durch den Kopf eines Verbrennungsmotors, wobei das Abgasventil und die zugehörige
Auspuffleitung dargestellt sind, die mit der erfindungsgemäßen Wärmeisolierung versehen
sind; Fig. 2 eine Teildarstellung der Auspuffleitung zur Führung der Gase nach außen,
welche ebenfalls wärmeisoliert ist; Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung, und Fig. 4 noch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In Fig. 1 ist unter der Bezugsziffer 10 der Kopf einer Mehrzylindermaschine
dargestellt, unter der Bezugsziffer 11 die Brennkammer eines (nicht abgebildeten)
Zylinders, unter 12 eine im Kopf gebildete Auspuffleitung, unter 13 ein Auspuffventil,
und unter 14 eine Auspuffleitung, die mittels Flanschen mit dem Motorkopf in herkömmlicher
-und damit nicht abgebildeter - Weise verbunden ist.
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Im Inneren der Leitung 12 ist ein Rohr 15 angeordnet, welches vorzugsweise
aus rostfreiem Stahl besteht, und im vorliegenden Fall aus einem gewellten Metallblech
gebildet ist. Im Inneren der Leitung 14 befindet sich ein ebenfalls aus gewelltem
rostfreien Stahlblech bestehendes Rohr 16.
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Da, wie vorerwähnt, der Wärmeaustausch über ein gasförmiges Strömungsmittel
durch Konvektion stattfindet, verhindert das sich in Auskleidungen 18 und 19 stauende
Abgas den Wärmeaustausch durch Konvektion zwischen den vom Motor und den Wandungen
der Auspuffleitungen abgegebenen Gasen, wobei die Ubertragung durch Konvektion und
Abstrahlung ebenfalls sehr niedrig sind, da der rostfreie Stahl eine geringe Wärmeleitfähigkeit
hat und da seine Flächen eine reflektierende Wirkung haben und auch im Lauf der
Zeit glänzend bleiben.
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Das gewellte Metallblech stellt eine wirksame Dämpfung der Konvektionsbewegungen
im Gasvolumen sicher, welches die Auskleidungen füllt, jedoch kann in einigen Abschnitten,
besonders in geradlinigen, die Innenauskleidung des Abgasleitsystems aus glattem
Metallblech hergestellt werden, während das gewellte Blech wegen seiner Biegsamkeit
in den Abschnitten bevorzugt wird, die einen krummlinigen Verlauf haben.
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Nach dem Zusammenbau können die Stücke aus rostfreiem Stahl in die
Wandungen des Abgasleitsystems eingeschweißt werden, wobei somit mit Luft gefüllte
Auskleidungen geschaffen sind, die ebenfalls zufriedenstellende Isolierungen darstellen.
In einem solchen Fall sollten insgesamt gewellte Bleche verwendet werden, damit
mechanische Belastungen verhindert werden, die durch die verschiedene Ausdehnung
der Teile des Abgasleitsystems und der Innenauskleidung hervorgerufen werden.
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Die in die Leitungen des-Abgasleitsystems eingesetzten rohrförmigen
Teile, beispielsweise die Rohre 15 und 16, können aus einem einmetalligen Blechstück
hergestellt werden, wobei die Richtung der Wellungen senkrecht zur Rohrachse oder
schraubenlinienförmig zu dieser verläuft, oder sie können durch schraubenförmiges
Aufwickeln eines Streifens aus in Längsrichtung gewelltem Metallblech hergestellt
werden.
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In Fig. 2 sind die Leitung 20, in welcher die von den einzelnen Zylindern
kommenden Abgase zusammengefaßt werden, der Flansch 26, welcher mit dem entsprechenden
Gegenflansch in dem Bereich, in dem die vom Motorkopf kommenden Leitungen (von denen
eine in Fig. 1 gezeigt ist) ineinander übergehen, zusammengefügt wird, sowie ein
in die Leitung 20 eingesetzter Auspufftopf 21, welcher, falls eine weitere Verbrennung
der in den Abgasen vorhandenen noch unverbrannten Bestandteile die Verwendung eines
Nachverbrennungs-Auspufftopfes nicht erfordert, eine schalldämpfende Wirkung
hat.
Dieser Auspufftopf kann aber auch einen Katalysator aufweisen, d. h. er kann ein
Wärmereaktor sin, bei welchem ein oder mehr geräuschdämprende Auspufftöpfe unterhalb
desselben angeordnet sind. Ein Rohr 17 aus rostfreiem Stahl, welches aus einem gewellten
Blech hergestellt ist, ist im Inneren der Leitung 20 angeordnet.
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Als Innenauskleidung für den Auspufftopf 21 dienen Metall bleche 22
und 23.
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Auf diese Weise erhält man Auskleidungen 24, 25 und 27, in welchen
sich das Abgas staut und die, wie oben erwähnt, ein beträchtliches Hindernis für
die Wärmeübertragung zwischen den Abgasen und den Wandungen der Leitung 20 und dem
Auspufftopf 21 darstellen.
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Das Abgasleitsystem,das teilweise in Fig. 4 dargestellt ist, umfaßt
so viele, eine geradlinige Achse und Flansche zum Verbinden mit dem Motorkopf aufweisende
Leitungen, wie Zylinder vorhanden sind (in der Zeichnung sind unter 30 und 31 zwei
dieser Leitungen dargestellt); außerdem umfaßt es eine Kammer 34, in welcher die
vorgenannten Leitungen konvergieren, sowie einen oder mehrere (nicht abgebildete)
Rohrabschnitte, die aus der Kammer 34austreten und die Gase nach außen ableiten.
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Rohre 32 und 55 aus rostfreiem Stahl, die aus gewelltem Metallblech
hergestellt sind, sind an der Innenseite der Leitungen 30 und 31 angeordnet. Die
Bezugsziffer 35 gibt die Innenauskleidung der Kammer 34 an, die ebenfalls aus gewelltem
Metallblech besteht.
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Die die Auskleidungen 36, 37 und 38 füllenden Abgase verhindern die
Wärmeübertragung aus den strömenden Gasen auf die Wandungen der Leitungen 30 und
3 und der Kammer 54.
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Wie bereits erwähnt, ist in den Abschnitten mit geradliniger Achse
die Verwendung gewellter Metallbleche nicht erforderlich (die eine gute Verformbarkeit
aufweisen und somit dazu geeignet sind, sich dem Verlauf der Leitungen anzupassen),
jedoch ist es von Vorteil, wenn teilweise gewellte glatte Metallbleche verwendet
werden, damit eine wirksame Dämpfung der Konvektionsbewegung in den die Auskleidungen
56, 57 und 38 füllenden Abgasen erzielt wird, wodurch eine erhöhte Wärmeisolierung
geschaffen wird.
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Fig. 5 zeigt eine Auspuffleitung 28, die nur teilweise dargestellt
ist, sowie eine Schicht 29 aus porösem Keramikmaterial, welches an den Wandungen
der Leitung angebracht und mit geeignetem Klebstoff befestigt ist. Die sich im Inneren
der genannten porösen Keramikschicht stauenden Abgase ermöglichen eine sehr wirksame
Wärme isolierung, ohne daß man auf eine beträchtliche Dicke des als wärmeisolierende
Schicht verwendeten Keramikmaterils zurückgreifen muß, was beispielsweise bei einem
festen Keramikmaterial der Fall wäre.