Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
GAS CONDUIT, PARTICULARLY FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2004/031550
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed are a gas conduit section (1), especially an exhaust gas collector, for an internal combustion engine and an internal combustion engine comprising a catalytic converter which is disposed inside the exhaust gas system. The inventive conduit section (1) is provided with a porous insert (2), preferably in the form of a body molded by sintering, which at least partly rests against the inner wall thereof and forms a hollow body that can be freely flowed through. The inventive internal combustion engine is provided with a conduit section containing particularly a porous body that is molded by sintering and can be freely flowed through, said conduit section being disposed upstream of the catalytic converter within the exhaust gas system. The invention applies especially to motor vehicles with a combustion engine.

Inventors:
HOLDER EBERHARD (DE)
KOEHLEN CHRISTOPH (DE)
MATT MARTIN (DE)
Application Number:
PCT/EP2003/009764
Publication Date:
April 15, 2004
Filing Date:
September 03, 2003
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
DAIMLER CHRYSLER AG (DE)
HOLDER EBERHARD (DE)
KOEHLEN CHRISTOPH (DE)
MATT MARTIN (DE)
International Classes:
F01N3/28; F01N13/10; (IPC1-7): F01N7/10; F01N3/28
Foreign References:
DE2549256A11977-05-05
US5404721A1995-04-11
JPS62211138A1987-09-17
DE19834136C12000-03-16
Attorney, Agent or Firm:
Kreiser, André (Intellectual Property Management IMP - C106, Stuttgart, DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche
1. Gasführender Leitungsabschnitt (1), insbesondere Abgas sammler für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (1) eine an seiner Innenwand wenigstens teilweise anliegende poröse Einlage (2) auf weist, die einen frei durchströmbaren Hohlkörper bildet.
2. Leitungsabschnitt (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (2) aus einem hochtemperaturbeständigen Sinterformkörper gebildet wird.
3. Leitungsabschnitt (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterformkörper überwiegend aus faserförmigem Sintermaterialteilchen gebildet ist.
4. Leitungsabschnitt (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterformkörper überwiegend aus Sintermaterial teilchen mit annähernd Kugelform gebildet ist.
5. Leitungsabschnitt (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterformkörper überwiegend aus hohlkugelartigen Sintermaterialteilchen gebildet ist.
6. Leitungsabschnitt (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermaterialteichen einen im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm, insbesondere im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm liegenden Außendurchmesser aufweisen.
7. Leitungsabschnitt (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermaterialteilchen eine im Bereich von 1% bis 20 %, insbesondere im Bereich von 2% bis 5 % des Außen durchmessers liegende Wandstärke aufweisen.
8. Leitungsabschnitt (1) nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermaterial überwiegend metallisch ist.
9. Leitungsabschnitt (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermaterial eine im Bereich von 1% bis 30%, insbesondere im Bereich von 2% bis 5% liegende Porosität aufweist.
10. Leitungsabschnitt (1) nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterformkörper eine katalytisch wirksame Be schichtung aufweist.
11. Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem, in welchem ein Abgaskatalysator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem stromauf des Abgaskatalysators einen Leitungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ins besondere einen Leitungsabschnitt mit einem an der Innen wand des Leitungsabschnitts wenigstens teilweise anliegen den, frei durchströmbaren, porösen Sinterformkörper, um fasst.
Description:
Gasführende Leitung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine gasführende Leitung mit den Merk- malen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Brennkraft- maschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 11.

In der deutschen Pätentschriftschrift DE 100 48 286 ist ein gasführender Leitungsabschnitt beschrieben, welcher insbeson- dere als Abgassammler für eine Brennkraftmaschine ausgebildet ist. Der Abgassammler ist auf seiner Innenwand mit einem ad- sorptiv wirkenden Material, beispielsweise auf Zeolith-Basis, beschichtet. Dieses Material kann Kohlenwasserstoffe (HC) ad- sorbieren, wodurch bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine zumindest ein Teil von im Abgas enthaltenen HC aus dem Abgas entfernt werden kann. Weitere Funktionen werden von der Be- schichtung nicht übernommen. Der beschichtete Leitungsab- schnitt wird durch den Abgaskrümmer und ein stromauf eines Katalysators liegendes Leitungsstück gebildet. Abgaskrümmer sind jedoch häufig hohen und rasch wechselnden Temperaturen ausgesetzt. Dies stellt sehr hohe Ansprüche auf eine direkt auf die Innenwand aufgetragene Beschichtung, insbesondere um ein Abplatzen der Beschichtung zu vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine gasführende Leitung mit verbesserten adsorptiven und mechanischen Eigen- schaften anzugeben. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer geringen Schadstoffemission an- zugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Leitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Der erfindungsgemäße Leitungsabschnitt zeichnet sich dadurch aus, dass er eine an seiner Innenwand wenigstens teilweise anliegende poröse Einlage aufweist, die einen frei durch- strömbaren Hohlkörper bildet. Die Einlage kann dabei eintei- lig oder mehrteilig ausgebildet sein, wobei sie vorzugsweise die Innenwand des Leitungsabschnitts völlig oder zumindest ü- berwiegend abdeckt. Die Einlage ist vorzugsweise als formsta- biler poröser Einlagekörper ausgeführt. Vorteilhaft ist bei- spielsweise ein poröser Metallschaumkörper oder Keramik- schaumkörper. Das Grundmaterial kann dabei zusätzlich ge- schlossenporig ausgebildet sein. Da derartige Schaumkörper eine geringe Dichte aufweisen, trägt die Einlage kaum etwas zur Masse eines aus Metall gefertigten Leitungsabschnitts bei. Die Einlage kann jedoch auch als Matte ausgeführt sein, die mit Hilfe eines Stützgitters an die Innenwand des Lei- tungsabschnitts angedrückt wird. Diese Matte kann dabei aus einem Gewebe oder Gewirke gebildet sein. Vorzugsweise lässt der durch die Einlage gebildete Hohlkörper den über-wiegenden Teil des Querschnitts des Leitungsabschnitts frei, so dass der Gasdurchgang nicht behindert wird. Durch eine solcherart ausgeführte Einlage erhält der Leitungsabschnitt eine hin- sichtlich leicht kondensierbarer Gasbestandteile absorbieren- de und/oder adsorbierende Wirkung.

Bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Leitung im Abgassys- tem einer Brennkraftmaschine können HC-Bestandteile im Abgas adsorbiert werden, bis ein stromab liegender Katalysator sei- ne Wirksamkeit erreicht hat. Ferner kann Wasserdampf, der ev. bereits zu Nebel kondensiert ist, eine Zeitlang zurückgehal- ten werden. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ein stromab des erfindungsgemäßen Lei- tungsabschnitts angebrachter Sensor sofort beheizt werden kann, ohne durch sog. Wasserschlag gefährdet zu sein.

Ein weiterer Vorteil einer solchen Einlage ist eine schall- dämmende Wirkung, so dass Schallschwingungen des durch den Leitungsabschnitt strömenden Gases nicht nach außen dringen.

In Ausgestaltung der Erfindung ist die Einlage aus einem hochtemperaturfesten Sinterformkörper gebildet. Unter hoch- temperaturfest soll hier eine Temperaturbeständigkeit bis et- wa 800°C oder darüber verstanden werden. Diese Ausführungs- form eignet sich besonders für einen Abgassammler einer Brennkraftmaschine, da dieser hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Vorzugsweise ist der Sinterformkörper als zweiteiliger Schalenkörper ausgebildet. Die Teile des Sinterformkörpers können zur Montage somit in die Hälften eines aus zwei Halb- schalen bestehenden Abgassammlers eingelegt werden und gege- benenfalls beispielsweise durch einen Keramikkleber einge- klebt werden. Nach Zusammenfügen der Halbschalen und Ver- schließen der Fügenaht wird so ein Abgassammler mit hoher schallisolierender Wirkung erhalten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Sinterform- körper überwiegend aus faserförmigem Sintermaterialteilchen gebildet. Die Fasern können beispielsweise in ein Metallgit- ter eingearbeitet sein, wodurch der Sinterformkörper bei ge- ringer Krafteinwirkung zwar formstabil ist, jedoch bei stär- kerer Krafteinwirkung verformt und an die Innenkontur des Leitungsabschnitts angepasst werden kann. Durch die faser- artige Natur des Grundmaterials wird dem Sinterformkörper ei- ne poröse Struktur mit hoher Oberfläche verliehen. Daraus re- sultiert ein hohes Adsorptionsvermögen und eine hohe schall- dämmende Wirkung des Leitungsabschnitts.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Sinterform- körper überwiegend aus Sintermaterialteilchen mit annähernd Kugelform gebildet. Mit dieser Ausführungsform wird ein Sin- terformkörper mit guter Formstabilität und einer Vielzahl von offen Poren erhalten, da die vorzugsweise beim Sintervorgang nur schwach deformierten Kugeln des Sintermaterials im ver- sinterten Zustand eine Vielzahl von miteinander verbundenen Hohlräumen bilden. Vorzugsweise ist das Grundmaterial, aus dem die Sintermaterialteilchen gebildet sind, selbst porös.

Das Grundmaterial kann metallischer oder keramischer Natur sein. Durch die Kugelform des Grundmaterials wird ein Sinter- formkörper erhalten, der sowohl geschlossenporig als auch of- fenporig gestaltet ist. Die Porosität ist dann vorzugsweise bimodal, d. h. es existieren zwei Maxima der Porenradienver- teilung. Dadurch wird eine gute Adsorptionswirkung für eine breite Palette von Kohlenwasserstoffen erhalten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Sinterform- körper überwiegend aus hohlkugelartigen Sintermaterialteil- chen gebildet. Durch diese Ausführung wird ein Sinterformkör- per mit besonders geringer Dichte und zusätzlich wärme- isolierenden Eigenschaften erhalten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Sinterma- terialteilchen einen im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm, insbe- sondere im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm liegenden Außendurch- messer auf. Ein aus derartigen Sintermaterialkugeln gefertig- ter Sinterformkörper verfügt über eine hohe Formstabilität sowie über eine hohe schalldämmende und adsorbierende Wir- kung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Sinterma- terialteilchen eine im Bereich von 1% bis 20 %, insbesondere im Bereich von 2% bis 5 % des Außendurchmessers liegende Wandstärke auf. Damit wird eine vergleichsweise geringe Dich- te des Sinterformkörpers erreicht, wobei die anderen Vorteile erhalten bleiben. Vorzugsweise wird eine Dichte von etwa 0,5 g/cm3 erreicht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Sintermateri- al überwiegend metallisch. Dadurch ergeben sich vergleichs- weise niedrige Sintertemperaturen. Das metallische Ausgangs- material, vorzugsweise Edelstahl, weist eine gewisse Duktili- tät auf, so dass sich eine vergleichsweise einfache Fertigung des Sinterformkörpers ergibt. Der solcherart ausgebildete Sinterformkörper lässt sich zudem einfacher bearbeiten als Sinterformkörper aus keramischem Material.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Sintermate- rial eine im Bereich von 1% bis 30%, insbesondere im Bereich von 2% bis 5% liegende Porosität auf. Dadurch werden vorteil- hafte Eigenschaften hinsichtlich der Adsorption von Kohlen- wasserstoffen und Wasserdampf erreicht.

Daraus resultieren wiederum niedrige Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Kaltstart bzw.

Warmlauf.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Sinterform- körper eine katalytisch wirksame Beschichtung auf. Verwendet werden kann jede übliche Katalysatorbeschichtung. Vorzugswei- se weist die Beschichtung eine oxidationskatalytische Wirkung auf. Ist ein Abgassammler als Leitungsabschnitt solcherart ausgebildet, kann auf einen gesonderten Oxidationskatalysator verzichtet werden oder dieser zumindest kleiner ausgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass das zugehörige Abgassystem stromauf des Abgaskata- lysators einen Leitungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, insbesondere einen Leitungsabschnitt mit einem an der Innenwand des Leitungsabschnitts wenigstens teilweise anlie- genden, frei durchströmbaren, porösen Sinterformkörper, um- fasst. Der Sinterformkörper ist vorzugsweise überwiegend aus einem offenporigen und/oder geschlossenporigen Material ge- fertigt. Durch diese Struktur verfügt der Leitungsabschnitt über adsorptive Eigenschaften und es können bei einem Kalt- start der Brennkraftmaschine leicht kondensierbare Abgasbe- standteile vom Sinterformkörper eine gewisse Zeitlang zurück- gehalten werden. Vorzugsweise wird der Sinterformkörper bei- spielsweise hinsichtlich seiner Materialstärke so ausgelegt, dass kondensierbare Kohlenwasserstoffe oder Wasserdampf im Abgas solange zurückgehalten werden, bis der weiter stromab liegende Abgaskatalysator erwärmt und wirksam geworden ist.

Die danach vom Sinterformkörper desorbierenden schädlichen Abgasbestandteile können dann vom Katalysator effektiv kon- vertiert werden. Damit wird eine verminderter Schadstoffaus- stoss, insbesondere bei einem Kaltstart und bei einem Warm- lauf der Brennkraftmaschine erreicht.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und zugehörigen Beispielen näher erläutert. Dabei zeigen : Fig. 1 einen Abgassammler einer Brennkraftmaschine, Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Anschluss des Abgassamm- lers und Fig. 3 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt aus dem Randbereich des im Schnitt dargestellten Abgassamm- lers.

In Fig. 1 ist ein Abgassammler 1 für eine dreizylindrige Zy- linderbank einer als V-Motor ausgeführten Brennkraftmaschine dargestellt. Das aus den drei Zylindern der Zylinderbank aus- tretende Abgas wird über drei Zweige des Abgassammlers in ei- nem gemeinsamen Leitungsanschluss zur Weiterleitung in das Abgassystem zusammengeführt. Eine Schnittlinie durch den Lei- tungsanschluss ist mit II-II bezeichnet und die entspre- chende Querschnittsansicht in Fig. 2 (s. u. ) dargestellt. Der Abgassammler 1 ist hier aus zwei Halbschalen gefertigt, was in Fig. nicht dargestellt ist. In die Halbschalen des Abgas- sammlers 1 ist jeweils ein vorgefertigter, hier nicht geson- dert dargestellter Sinterformkörper eingelegt. Dieser weist etwa die Konturen der zugehörigen Halbschale auf und liegt daher zumindest überwiegend an der Innenwand des Abgassamm- lers an. Zur besseren Fixierung kann der Sinterformkörper in die Halbschale beispielsweise mit einem temperaturbeständigen Keramikkleber eingeklebt werden. Der Sinterformkörper weist durchgängig eine Materialstärke von etwa 15 mm auf. Nach dem Einlegen der Sinterformkörper werden die Halbschalen des Ab- gassammlers 1 zusammengefügt und die Nahtstellen verschweißt.

Der Abgassammler ist somit mit einer Auskleidung versehen, welche einen frei durchströmbaren Hohlkörper ausbildet, der den größten Teil der Querschnittsfläche freilässt.

In Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht des in einem Anschluss für eine Abgasleitung endenden Teils des Ab- gassammlers entsprechend der in Fig. 1 eingezeichneten Schnittlinie II-II gezeigt. Der eingelegte Sinterformkörper 2, bzw. die eingelegten Teile des Sinterformkörpers 2 liegen an der Innenwand des Abgassammleranschlusses an und bedecken die Innenwandoberfläche des Abgassammlers 1 vollständig oder zumindest annähernd vollständig. Die Fügestelle der Halbscha- len des Abgassammlers 1 und der eingelegten Sinterformkörper 2 sind hierbei nicht dargestellt. Mit III ist ein Ausschnitt des Randbereichs des Anschlusses des Abgassammlers 1 bezeich- net.

In Fig. 3 ist ein Ausschnitt entsprechend dem in Fig. 2 mit III bezeichneten Randbereich des in Fig. 2 im Schnitt darge- stellten Anschlusses des Abgassammlers 1 vergrößert und ver- einfacht dargestellt. Wie aus der schematischen Darstellung hervorgeht, ist der Sinterformkörper 2 aus miteinander ver- sinterten Hohlkugeln gebildet. Die Hohlkugeln besitzen einen Außendurchmesser von etwa 1,5 mm und sind aus Edelstahl ge- fertigt. Die Wandstärke der Hohlkugeln beträgt etwa 0,02 mm, woraus sich eine Strukturdichte des Sinterformkörpers 2 von etwa 0,5 g/cm3 ergibt. Dadurch weist der Sinterformkörper 2 eine geringe Masse auf. Zwischen den miteinander versinterten Hohlkugeln ergeben sich Hohlräume, so dass eine poröse Struk- tur gebildet ist. Bei starker Versinterung bestehen zwischen den Hohlräumen der Kugeln kaum Verbindungen, so dass sich ei- ne überwiegend geschlossenporige Struktur ergibt. Vorzugswei- se sind die Kugeln jedoch weniger stark versintert, so dass durch die Kugeln eine offenporige Struktur gebildet ist. Da der hier verwendete Edelstahl selbst eine gewisse Porosität besitzt, wird durch die Hohlräume im Innern der Kugeln den- noch zusätzlich eine geschlossenporige Struktur gebildet. Der Sinterformkörper 2 weist daher eine bimodale Porenstruktur mit einer Porosität im Bereich von 1% bis 30% auf.

Auf Grund seiner Struktur weist der Sinterformkörper eine schalldämmende Wirkung sowie eine, wegen seiner vergleichs- weise geringen Wärmeleitfähigkeit, wärmeisolierende Wirkung auf.

Im Einzelnen ergeben sich aus der Sinterformkörpereinlage in dem Abgassammler 1 aus den physikalischen Eigenschaften des Sinterformkörpers 2 folgende Vorteile. Bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine werden Wasser und unverbrannte Kohlen- wasserstoffe vom bzw. im Sinterformkörper 2 adsorbiert. Folg- lich ist die Kohlenwasserstoffemission in der Kaltstart-und Warmlaufphase der Brennkraftmaschine gering. Mit fortschrei- tendem Warmlauf der Brennkraftmaschine erwärmt sich auch der stromab des Abgassammlers 1 in der Abgasleitung angeordnete Katalysator (nicht dargestellt). Dies wird dadurch beschleu- nigt, dass während des Kaltstarts im Abgas enthaltenes Wasser zumindest teilweise vom Sinterformkörper 2 adsorbiert wird und daher nicht mehr vom Katalysator aufgenommen wird. Folg- lich wird die Erwärmung des Katalysators nicht durch Verdamp- fung von dort adsorbiertem Wasser verzögert. Da außerdem kei- ne oder nur sehr geringe Kohlenwasserstoffmengen während der Kaltstartphase zum Katalysator gelangen, werden die kataly- tisch aktiven Zentren des Katalysators nicht durch Kohlenwas- serstoffbelegungen deaktiviert. Folglich erreicht der Kataly- sator in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine seine An- springtemperatur früher und steht somit früher zur Abgasrei- nigung zur Verfügung. Die Wirksamkeit der katalytischen Ab- gasreinigung kann noch gesteigert werden, wenn der Sinter- formkörper 2 selbst mit einem katalytisch wirksamen Material beschichtet wird.

Mit fortschreitender Erwärmung werden vom Sinterformkörper 2 adsorbiertes Wasser und adsorbierte Kohlenwasserstoffe wieder freigesetzt. Da nun jedoch der stromab angeordnete Katalysa- tor aktiv ist, können die freigesetzten Kohlenwasserstoffe im Katalysator umgesetzt werden. Die vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit des Sinterformkörpers 2 verhindert außer- dem, dass die in das Abgas eingebrachte Wärmeenergie zu stark zur Aufwärmung der abgasführenden Leitungen aufgezehrt wird.

Die Erwärmung des Abgasleitungssystems stromauf des Katalysa- tor und damit die Erwärmung des Katalysators wird daher durch den Sinterformkörper 2 gefördert.

Auf Grund der Adsorptionsfähigkeit des Sinterformkörpers für Wasser wird verhindert, dass stromab des Abgassammlers 1 Was- ser auskondensieren kann. Treffen auskondensierte Wasser- tröpfchen auf einen beheizten Abgassensor, so kann dies zu Schädigungen durch sog. Wasserschlag führen. Ein eingangssei- tig des brennkraftmaschinennahen Katalysators angebrachter Abgassensor kann folglich sehr früh beheizt werden, ohne durch Wasserschlag beschädigt zu werden. Der Abgassensor steht daher frühzeitig beispielsweise zur Gemischregelung der Brennkraftmaschine zur Verfügung. Durch Einsatz des er- findungsgemäß gestalteten Abgassammlers wird daher auch auf diese Weise eine verbesserte Kaltstart-bzw. Warmlaufemission der Brennkraftmaschine erzielt.

Es versteht sich, dass die Anordnung der erfindungsgemäßen porösen Einlage nicht auf einen Abgassammler beschränkt ist, sondern darüber hinaus auch in einem anderen gasführenden Leitungsabschnitt einer Brennkraftmaschine angeordnet sein kann. Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße poröse Einlage jedoch im Abgassystem einer Brennkraftmaschine eingesetzt.