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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Abgasanlage für
die Abgase eines Verbrennungsmotors, der insbesondere in ein Kraftfahrzeug
eingebaut ist. Vor allem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf
eine Abgasanlage, die eine gekrümmte
Leitung aufweist, die mit einer Anordnung zur Behandlung der Abgase
verbunden ist.
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Der Raumbedarf des Motorraumes erschwert
die Auslegung der Abführung
der Abgase, vor allem unter Berücksichtung
der Auflagen für
ein ansprechendes Aussehen, immer mehr. Daraus folgt, dass es mehr
und mehr erforderlich ist, gekrümmte
Leitungen vorzusehen, wobei jedoch derartige gekrümmte Leitungen,
wenn sie stromaufwärts einer
Anordnung zur Behandlung der Abgase vorgesehen sind (Katalysator,
Teilchenfilter, etc.) die Strömung
der Gase behindern, woraus ein Fehlfunktionieren der Anordnung zur
Behandlung hervorgerufen werden kann, insbesondere eine Konzentration
der Abgase in nur einem Teil der Anordnung zur Behandlung.
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Aus den Veröffentlichungen DE-U-94 12 553.8,
DE-A-23 45 383 und WO-A-98/07967 sind verschiedene gekrümmte Leitungen
zur Zufuhr der Abgase zur Anordnung für deren Behandlung bekannt
geworden, die mit Ablenkteilen versehen sind und die die oben erwähnten Nachteile
aufweisen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, diese Nachteile zu vermeiden und ein gekrümmtes Teil
für eine
Abgasleitung zu schaffen, das stromaufwärts einer Anordnung zur Behandlung
der Abgase eingesetzt wird, das einfach herzustellen ist und das
eine gleichförmige
Verteilung über
den+ Eingang der Anordnung zur Behandlung gewährleistet.
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Die Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor gemäss der Erfindung
weist eine Anordnung zur Behandlung der Abgase auf, wie zum Beispiel
einen Katalysator oder ein Teilchenfilter, sowie eine Hülle, in
der ein Behandlungsaggregat angeordnet ist, das von den Abgasen
durchsetzt wird.
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Nach der Erfindung weist die Abgasanlage stromaufwärts der
Anordnung zur Behandlung der Abgase in Richtung der Strömung der
Abgase gesehen eine gekrümmte
Leitung zur Zufuhr der Abgase auf, wobei diese Leitung mit einer
Ablenkanordnung versehen ist, die eine homogene Verteilung der Abgase
beim Durchsetzen des Behandlungsaggregats gewährleistet; diese Anlage ist
dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Leitung eine halbkreisförmige Gestalt
aufweist und dass die Ablenkanordnung aus einer Ablenkwand besteht,
die durch eine Verformung der Wand der Verbindungsleitung im äußeren Abschnitt
der Krümmung
erhalten wird.
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Gemäss einem Merkmal der Abgasanlage nach
der Erfindung ist die gekrümmte
Leitung in die Hülle
der Anordnung zur Behandlung der Abgase integriert.
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Gemäss einem Merkmal der Abgasanlage nach
der Erfindung ragt diese Wand in die strömenden Gase hinein.
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Gemäss einem Merkmal der Abgasanlage nach
der Erfindung wird die Ablenkwand in Richtung der Strömung der
Gase gesehen durch eine erste Fläche
und eine zweite Fläche
gebildet.
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Gemäss einem Merkmal der Abgasanlage nach
der Erfindung ist die erste Fläche
im wesentlichen gerade und erstreckt sich über eine Länge, die zwischen 20 und 50
mm variiert unter Bildung eines Winkels zwischen 15° und 45° mit der
Längsachse des
Behandlungsaggregats, während
die zweite Fläche
sich in der Verlängerung
der ersten Fläche
erstreckt bis in die Nähe
der Eintrittsfläche
des Behandlungsaggregats unter Bildung eines Winkels zwischen 60° und 85° mit der
Längsachse
dieses Aggregats.
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Gemäss einem Merkmal der Abgasanlage nach
der Erfindung erstreckt sich die Verbindungskante zwischen den beiden
Flächen
im wesentlichen oberhalb der Längsachse
des Behandlungsaggregats in einem Abstand, der zwischen 1/8 und
2/6 der Höhe
der Eintrittsfläche
dieses Aggregats liegt.
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Gemäss einem Merkmal der Abgasanlage nach
der Erfindung weist die gekrümmte
Leitung im inneren Abschnitt der Krümmung und in der Nähe des Behandlungsaggregats
eine im wesentlichen gerade Form auf.
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Die Ziele, Aspekte und Vorteile der
Erfindung gehen deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels
der Erfindung hervor, das nicht der Begrenzung sondern der Erläuterung
dient, im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung; darin zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Abgasanlage
und
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2 eine
teilweise aufgeschnittene vergrößerte Darstellung
nach 1 zur genauen Erläuterung
der Gestalt der die Turbine mit dem Katalysator verbindenden Leitung.
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Die Abgasanlage nach der Erfindung
ist für den
Einsatz im Zusammenhang mit dem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges
geeignet. Der nicht dargestellte Motor, der mit der Abgasanlage nach
der Erfindung ausgerüstet
wird, ist im gewählten
Ausführungsbeispiel
ein Motor mit vier in Reihe angeordneten Zylindern.
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Ferner sind nur die für das Verständnis der Erfindung
erforderlichen Teile mit Bezugszeichen versehen, wobei, zur Erleichterung
des Verständnisses,
gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen in den beiden Figuren
versehen sind.
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Aus 1 ist
ersichtlich, dass die Abgasanlage an ihrem, stromaufwärts gelegenen
Ende, in Richtung der Strömung
der verbrannten Gase gesehen, einen mit 1 bezeichneten
Abgassammler aufweist, zum Beispiel vom Typ „4 und 1" mit vier Einlassstutzen,
die an ihren stromaufwärtigen
Enden mit Auslassleitungen des Zylinderkopfes des Motors verbunden
sind und die alle stromabwärts
in einer gemeinsamen Verbindungsleitung münden, die die Abgase dem Einlass
einer Turbine 2 eines Abgasturboladers 3 zuführen.
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Dieser Abgasturbolader 3 besteht üblicherweise
aus drei Teilen: einer Zentripetalturbine 2 zur Aufnahme
der in den Abgasen enthaltenen Energie, einem zentralen Gehäuseteil,
das die Lager für
die Welle trägt,
auf der das Turbinenrad und das Kompressorrad sitzen, sowie einem
Turbokompressor, mit dem der Motor aufgeladen wird.
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Die Zentripetalturbine 2 weist
einen spiralförmigen
Einlass auf, der die Abgase um ein Flügelrad herum verteilt, wonach
diese aus der Mitte des Rades austreten. Der feststehende Teil der
Turbine 2 besteht aus einem Gussteil, in dem die Einlassleitungen
und die Auslassleitungen für
die Abgase ausgebildet sind sowie die Aufnahme für das Turbinenrad.
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Das Turbinengehäuse ist mit einer Einlassöffnung für die Abgase
und mit einer Auslassöffnung für die Abgase
versehen. Die Einlassöffnung
für die Abgase
ist mit dem Auslass des Abgassammlers 1 über einen
Flansch verbunden und erstreckt sich im wesentlichen radial zur
Drehachse des Turbinenrades.
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Die Auslassöffnung für die Abgase, die sich in der
Achse des Turbinenrades erstreckt, ist mit dem Einlass einer Anordnung 5 zur
Behandlung des Abgase über
eine Verbindungsleitung 6 verbunden. Danach durchsetzen
die austretenden Abgase das nicht dargestellte Abgasrohr, das mit
dem Auslass 7 der Anordnung 5 zur Behandlung der
Abgase verbunden ist.
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Die hier in Frage kommende Anordnung
zur Behandlung der Abgase kann ein mit einem Katalysator versehener
Auspufftopf sein (wobei der Katalysator ein mit Verbrennung arbeitender
Katalysator oder ein Abgaskatalysator in Form eines ?xydationskatalysators
oder eines Reduktionskatalysators oder ein Katalysator mit Mehrfachfunktion
sein kann), oder aber ein Teilchenfilter oder auch jede andere Anordnung,
die von den Abgasen durchsetzt wird, wie zum Beispiel ein NOx-Abscheider, etc.
In der nachfolgenden Beschreibung wird von einem mit Verbrennung arbeitenden
Katalysator ausgegangen.
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Der mit dem Katalysator versehene
Auspufftopf 5 ist im dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel
im wesentlichen parallel und in unmittelbarer Nähe des Turboladers 3 angeordnet.
Dieser Einbau des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes 5 direkt
neben dem Turbolader 3 eignet sich besonders gut im Hinblick
auf die Raumausnutzung im Motorraum eines Kraftfahrzeuges.
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Die Verbindungsleitung 6 zwischen
dem Turbolader 3 und dem mit dem Katalysator versehenen Auspufftopf 5 ist
eine gekrümmte
Leitung und weist im wesentlichen die Form eines (umgedrehten) C auf,
wobei sie entweder als eigenständige
Leitung ausgebildet sein kann oder aber in das Gehäuse der Turbine 2 bereits
bei dessen Gussherstellung eingearbeitet werden kann oder auch wie
im dargestellten Ausführungsbeispiel
in die Hülle
für den
Auspufftopf integriert ist.
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Aus 2 ist
noch deutlicher ersichtlich, dass der mit dem Katalysator versehene
Auspufftopf 5, der die Form einer langgestreckten Hülle 51 mit kreisförmigem oder
elliptischem Querschnitt aufweist, dazu dient die Abgase zu leiten.
Die Hülle 51 ist
mit der Turbine 2 stromaufwärts im Abgasrohr verbunden.
Die Hülle 51 enthält in ihrem
zentralen Abschnitt eines oder mehrere Behandlungsaggregate 52 für die Abgase,
insbesondere einen Monolith. Der Monolith besteht in herkömmlicher
Weise aus einem zylindrischen Block mit kreisförmigem oder elliptischen Querschnitt,
der in erster Linie an denjenigen der Hülle 51 angepasst ist.
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Der Monolith 52, der zum
Beispiel aus Edelstahlblech oder aus einer porösen Keramik bestehe4n kann,
enthält
eine Vielzahl von in Längsrichtung
ausgebildeten und die Gestalt einer Bienenwabe aufweisende Durchlasskanälen, deren
Wände mit
dem eigentlichen Katalysator beschichtet sind für die Behandlung der Abgase.
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Die Hülle 51 enthält außerdem ein
auslassseitiges Ende 7 für die Abgase, das mit dem Abgasrohr
verbindbar ist und stromaufwärts
in Richtung der Strömung
der Abgase gesehen ein einlassseitiges Ende 6 geeigneter
Form, das über
einen Flansch 8 mit der Auslassöffnung der Turbine 2 verbindbar
ist.
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Das einlassseitige Ende 6 stellt
also die Verbindung zwischen der Auslassöffnung der Turbine 2 und
der Einlassseite des Monoliths 52 dar, wobei diese im wesentlichen
in der gleichen Ebene angeordnet sind. Damit weist das Ende 6 die
Gestalt einer Leitung mit einer halbkreisförmigen Krümmung auf.
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Um zu vermeiden, dass die Abgase
durch die Zentrifugalwirkung sich am äußeren Abschnitt der Krümmung 6 konzentrieren
und danach in dessen Verlängerung
am Einlass des Monoliths 52 ist die Außenwand 61 des Krümmers 6 entsprechend
geformt, zum Beispiel durch einen Schritt des Tiefziehens um dergestalt
einen Ablenkbuckel 62 auszubilden, der in die Gasströmung ragt.
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Diese am äußeren Abschnitt der Krümmung 6 vorgesehene
Ablenkwand 62 lenkt einen Teil der Abgase in Richtung des
Inneren der Einlassfläche des
Monoliths 52. Auf Grund des Vorsehens dieser Wand ist es
möglich
eine praktisch gleichförmige
Verteilung beim Eintreten der Abgase in die Einlassfläche des
Monolithen zu erzielen (Koeffizient der Eintrittsverteilung γ > 0,9, wobei γ durch die
folgende Beziehung definiert ist: γ = ⨏((vi – v)/2Sv)dS
mit: vi gleich der Geschwindigkeit der in die Zelle i des Monolithen eintretenden
Gase, v gleich der mittleren Geschwindigkeit in der Eintrittsebene
des Monolithen und S gleich der berfläche des Monolithen.
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Die Ablenkwand 62 ist in
Richtung der Strömung
der Gase ausgebildet und weist eine erste Fläche 63 und eine zweite
Fläche 64 auf.
Die erste Fläche 63 ist
im wesentlichen gerade gestaltet und weist eine Länge auf,
die zwischen 15 und 50 mm variiert, wobei sie mit der Längsachse
des Monolithen einen Winkel α einschließt, der
zwischen 15° und
45° liegt. Die
zweite Fläche 64 erstreckt
sich in Verlängerung der
ersteren bis in die Nähe
der Eintrittsfläche
des Monolithen 52 und schließt einen Winkel β mit
der Längsachse
des letzteren ein, der zwischen 60° und 85° liegt.
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Die Flächen 62 und 63 sind
vorzugsweise an ihren Verbindungsrändern mit dem Rest des Krümmers 6 (in
den Ebenen senkrecht zur genannten Mittenebene) abgerundet um die Bildung
eines zu sehr abgeflachten Buckels zu vermeiden und um dergestalt
seitliche Strömungen
zu verhindern.
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Die Verbindungskante zwischen den
beiden Flächen 63 und 64,
die mehr oder minder abgerundet ist, erstreckt sich im wesentlichen
in einer Richtung senkrecht zur Mittenebene des Krümmers 6,
die die Achse des Monolithen durchsetzt. Außerdem ist die Kante oberhalb
der Längsachse
des Monolithen in einem Abstand zu diesem angeordnet, der zwischen 1/8
und 2/6 der Höhe
der Eintrittsfläche
des Monolithen beträgt.
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Die in den Gasstrom hervorspringende
Ablenkwand 62 ermöglicht
damit trotz der Einlasskrümmung
eine besonders homogene Verteilung der Abgase über den gesamten Monolithen
(wobei Werte für γ von > 0,96 erhältlich sind),
sodass ein verbesserter Wirkungsgrad für den mit dem Katalysator versehenen
Auspufftopf erzielt wird in Verbindung mit einem verringerten Leistungsverlust
und der Vermeidung einer vorzeitigen und heterogenen Alterung des Katalysators
auf Grund einer schlechten Verteilung der Abgase im Monolithen.
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Die Ablenkwand 62 vermeidet
also das Erfordernis von divergenten Einlässen, wie sie nach dem Stand
der Technik an den mit dem Katalysator ausgestatteten Auspufftöpfen vorzusehen
waren und dieses auch dann, wenn der Verbindungskrümmer 6 sehr
kurz ist. Es ist daher auf Grund dieser Anordnung möglich, den
Auspufftopf 5 in unmittelbarer Nähe des Turboladers anzuordnen
und damit eine kompakte Einheit aus Turbolader und Auspufftopf zu schaffen.
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Um die gleichmäßige Verteilung der Gase über die
Eintrittsfläche
des Monolithen 52 noch weiter zu verbessern und die Leistungsverluste
des Krümmers 6 zu
verringern ist die Innenwand 65 der Krümmung in der Nähe des Monolithen
dergestalt ausgebildet, dass sie im wesentlichen gerade ist.
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Diese Ausgestaltung wird erhalten
durch das Einsetzen eines geraden rohrförmigen Teils, wobei die Innenseite
dieses Teils direkt bis zum Monolithen 52 reicht und die
Außenseite
direkt bis zur Ablenkwand 62. Damit wird erreicht, dass
die ankommende Strömung
direkt unbeachtlich des Krümmungsradius auf
den oberen Abschnitt des Monolithen geleitet wird, sodass an dieser
Stelle kein Rezirkulationsbereich entsteht.
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Vorzugsweise erstreckt sich dieses
rohrförmige
Teil über
einen Abstand, der zwischen 15 und 40 mm liegt und schließt mit der
Achse des Monolithen 52 einen Winkel δ ein,
der zwischen 45° und
65° liegt.
Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn die neutrale Achse des rohrförmigen Teils
einen Punkt auf der Eintrittsfläche
des Monolithen 52 durchsetzt, der oberhalb der Längsachse
des Monolithen liegt, zum Beispiel in einem Abstand zwischen 3 und
8 mm von dieser.
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Um ferner das Strömungsverhalten des Krümmers 6 zu
verbessern und seine Leistungsverluste noch weiter zu verringern
wird der innere und/oder der äußere Krümmungsradius
des Krümmers 6 dergestalt
gewählt,
dass er vorzugsweise konstant ist, wobei der innere Radius den größtmöglichen
Wert aufweist.
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Es sei betont, dass die Erfindung
in keinerlei Weise auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt
ist, das nur der Erläuterung
dient.
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Die vorliegende Erfindung eignet
sich für
alle Arten von Verbrennungsmotoren, ob diese nun mit gesteuerter
Zündung
oder mit Kompressionszündung
arbeiten, mit direkter oder mit indirekter Einspritzung, mit flüssigem oder
mit gasförmigem
Kraftstoff, mit Aufladung oder ohne, etc.
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Die Erfindung ist auch bei beliebigem
Querschnitt des zylindrischen Monolithen einsetzbar, der zum Beispiel
oval sein kann.
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Es auch möglich, andere geeignete Ausgestaltungen
der Ablenkwand 62 zu wählen
im Hinblick auf eine ptimierung der Verteilung der an ihr entlang strömenden Gase.
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Schließlich ist auch der mit dem
Katalysator versehene Auspufftopf 5 nicht auf einen bestimmten Typ
beschränkt
und kann auch ein Teilchenfilter sein oder ein mit Verbrennung arbeitender
Katalysator sein.