Modular aufgebautes Abgasreinigungssystem eines Reihensechszylinder-Ottomotors - Boysen
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ENTWICKLUNG Abgasnachbehandlung
Modular aufgebautes
Abgasreinigungssystem eines
Reihensechszylinder-Ottomotors
Boysen hat für die Reihensechszylinder-Ottomotoren von BMW ein modular auf-
gebautes Abgasreinigungssystem mitentwickelt. Die Baugruppe besteht aus inno-
vativen Rohrkrümmern und motornahen Katalysatoren. Die Konzeption ist so flexi-
bel angelegt, dass sich die Einheit von Krümmer und Katalysator mit geringem Auf-
wand an die Einbausituationen in unterschiedlichen Fahrzeugbaureihen anpassen
lässt. Durch eine weitreichende Gleichteilestrategie konnten erhebliche Kosten-
einsparungen erzielt werden.
1 Einleitung Zum Januar 2006 wird das Abgasreini- Die Autoren
gungssystem von Boysen in den BMW-Mo-
Der Sechszylinder-Reihenmotor hat bei dellen 130i, 323i, 325i, 330i, 523i, 525i, 530i,
BMW eine über 70-jährige Tradition. Der Au- 630ci und 730i verbaut. In den Modellen Z4, Dipl.-Ing. Rainer Diez
tomobilhersteller ist heute der weltweit X3 und im X5-Nachfolger geht es zu einem ist Leiter Technische Ent-
größte Produzent von Reihensechszylinder- späteren Zeitpunkt in Serie. Eine SULEV-Va- wicklung bei der Friedrich
motoren für Pkw. Mehr als die Hälfte aller riante ist in Vorbereitung. Boysen GmbH & Co. KG,
BMW-Automobile wird mit einem Reihen- Altensteig.
sechszylinder-Otto- oder Dieselmotor ausge- 3 Das Abgasreinigungssystem
rüstet. Auch in Zukunft soll etwa jeder zwei- der NG-R6-Ottomotoren
te Neuwagen der Marke von einem Sechszy-
linder-Reihenmotor angetrieben werden. Entscheidend für die Erfüllung anspruchs- Dipl.-Ing. Frank Bühler
Mitte 2004 hat BMW die ersten Vertreter voller Abgasnormen wie Euro 4 oder ULEV II ist Mitarbeiter der Kon-
einer neuen Generation Reihensechszylin- ist, dass die Katalysatoren nach dem Anlas- struktion Krümmer und
dermotoren vorgestellt. Die Motorenfamilie sen des Motors innerhalb kürzester Zeit ihre Katalysatoren NG-R6 bei
mit der Bezeichnung NG-R6 zeichnet sich Betriebstemperatur erreichen. Je geringer der Friedrich Boysen GmbH
gegenüber der Vorgängergeneration durch die Wärmekapazität des Krümmers und je & Co. KG, Altensteig.
höhere Leistung und größeres Drehmo- motornäher die Platzierung der Katalysato-
ment, niedrigeren Kraftstoffverbrauch und ren desto günstiger sind die Voraussetzun-
geringere Emissionen aus. Die neuen Moto- gen für einen schnellen Light-off.
ren sollen sukzessive in allen Modellreihen Das Abgasreinigungssystem von Boysen
der Premium-Marke zum Einsatz kommen. ist doppelflutig angelegt. Es besteht aus
Als beauftragter Partner der BMW Group zwei kompakten Rohrkrümmern und zwei
hat Boysen das Abgasreinigungssystem für motornahen Katalysatoren in Kaskadenbau-
die neuen NG-R6-Ottomotoren mitentwi- weise. Komplettiert wird die Baugruppe
ckelt, Bild 1. Es deckt mit Ausnahme der 3,0- durch zwei Auslassrohre. Über Flanschver-
l-Linkslenker-Euro-4-Motorisierung alle An- bindungen an deren Enden wird das Abgas-
wendungen ab. reinigungssystem mit der Schalldämpferan-
Laut Lastenheft musste sich die Konstruk- lage verschraubt, Bild 2.
tion flexibel an die veränderten Gegebenhei-
ten in unterschiedlichen Fahrzeugmodellen 3.1 Krümmerkonstruktion
anpassen lassen. Darüber hinaus mussten Die beiden 3-in-1-Rohrkrümmer sind bau-
die Abgasgrenzwerte der europäischen Eu- gleich. Die Grundkonstruktion ist spiegel-
ro-4- und der US-amerikanischen ULEV-II- symmetrisch angelegt. Die längeren seitli-
Norm erfüllt werden. Das Gewicht der Bau- chen Rohre und das kurze Rohr in der Mitte
gruppe sollte minimiert, Abgasgegendruck
und Ladungswechsel optimiert werden. Im
Übrigen galt es, anspruchsvolle Kostenziele
zu erreichen.
2 Die NG-R6-Motorenfamilie von BMW
Im Zusammenhang mit der Präsentation
der neuen Motorengeneration bezeichnete
BMW den NG-R6 als das größte Motorenpro-
jekt seit der Einführung des ersten BMW-Au-
tomobils. Von der Vorgängergeneration M54
hatte der Automobilhersteller in vier Jahren
1,4 Millionen Einheiten produziert.
NG-R6-Ottomotoren gibt es in drei Varian-
ten:
– mit 3,0 l, 190 kW und einem maximalen
Drehmoment von 300 Nm
– mit 2,5 l, 160 kW und maximal 250 Nm
– mit 2,5 l, 130 kW und 230 Nm.
Der 3,0-l-Basismotor der NG-R6-Familie ging
als erster in Serie. Er feierte im September
2004 im BMW 630ci Premiere. Ihm folgte an
zweiter Stelle der 160-kW-Motor, der im De-
zember 2004 im BMW 325i auf den Markt
kam. Die 130-kW-Variante wird seit März Bild 1: Prüfstandsaufbau
2005 im BMW 523i angeboten. Figure 1: Test bench set-up
MTZ 02/2006 Jahrgang 67 93
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Bild 2: Schnittbild Krümmer/motornahe Katalysatoren Bild 3: Sammler
Figure 2: Cutaway image of the manifolds/close-coupled catalytic converters Figure 3: Collector
münden in einen Sammler, Bild 3. Konstruk- die in Bezug auf die Wärmekapazität des ger haben eine Zelldichte von 600 cpsi und
tiv gesehen erfüllt der Sammler drei ver- Krümmers deutliche Vorteile gegenüber ei- eine Wandstärke von 3,5 mil.
schiedene Funktionen: Er ist Rohrzusam- nem Stanzflansch hat. BMW hat für dieses Bedingt durch die Bauraumsituation
menführung, Halter für die Lambdasonde innovative Dichtungskonzept Patentschutz kommt im BMW-Z4-Rechtslenker eine ande-
und Verbindungsstück zum Katalysator in beantragt. re Katalysatorvariante zum Einsatz: In die-
einem. Das Bauteil ist strömungstechnisch sem Fall misst der Querschnitt beider Träger
dahingehend optimiert, dass die Abgase aus 3.2 Katalysatorkonstruktion 93 mm. Die Länge beträgt 55 mm für den
allen drei Zylindern auf die vertikal mon- Die Dreiwege-Katalysatoren in den parallelen ersten und 72 mm für den zweiten Monoli-
tierte Lambdasonde gelenkt werden. Auf- Abgassträngen sind jeweils baugleich. Zur then. Die 900-Zeller haben eine Wandstärke
grund seiner komplexen Geometrie und zur Begünstigung eines schnellen Light-off sind von 2,5 mil. In allen Varianten sind die Ein-
Vermeidung von innen liegenden Schweiß- alle Katalysatoren in Kaskadenbauweise aus- trittstrichter beider Katalysatoren direkt mit
nähten wird der Sammler im Innenhoch- geführt. Verglichen mit der vorangegange- den kompakten 3-in-1-Krümmern ver-
druckverfahren aus einem Stück geformt. nen Motorengeneration sind die Dünnwand- schweißt. Durch Strömungsdüsen in den
Boysen hat „die einstückige Sammeleinrich- keramikträger kleiner und leichter. Trichtern wird eine günstige Anströmung
tung zur Erreichung einer vorteilhaften Boysen deckt die komplette Fahrzeugpa- der Oberfläche des ersten Monolithen er-
Lambda- und Katalysatoranströmung“ zum lette mit zwei verschiedenen Katalysatorpa- reicht. Gleichzeitig wirkt die doppelwandi-
Patent angemeldet. tronen ab. Mit Ausnahme der Variante für ge Konstruktion aus Düse und Trichter wie
Um die Wärmekapazität des einwandi- den Z4-Rechtslenker sind die Katalysatoren eine Luftspaltisolierung. Die Katalysatoraus-
gen Krümmers so weit wie möglich zu ver- für sämtliche Fahrzeugmodelle mit einem trittstrichter sind luftspaltisoliert.
ringern, wurden die Rohrlängen auf ein Mi- ersten kleineren Monolith mit einem Da sämtliche Krümmer identisch aufge-
nimum gekürzt. Der Nennwert für die Durchmesser von 86 mm und einer Länge baut sind, bestimmt die Form des Katalysa-
Wandstärke der Rohre beträgt 1,5 mm, für von 55 mm bestückt. Der zweite Monolith toreintrittstrichters die Lage des Katalysa-
den lichten Durchmesser liegt er bei 35 mm. ist größer; er misst 101,6 mm im Quer- tors im Motorraum. Für den Abgasstrang
Um trotz der stark unterschiedlichen schnitt und 85 mm in der Länge. Beide tri- der Zylinder eins bis drei kommt Boysen mit
Wärmeausdehnungskoeffizienten von Alu- metallbeschichteten Dünnwandkeramikträ- zwei unterschiedlich geformten Eintritts-
minium-Zylinderkopf und Edelstahlkrüm-
mer einen gasdichten Anschluss zu ge-
währleisten, hat BMW die Flanschverbin-
dung zwischen Motor und Abgassystem Bild 4: Innovatives
neu konzipiert. Anders als bei konventio- Dichtungskonzept
nellen Konstruktionen schließen die Krüm- Figure 4: Innovative
merrohre nicht bündig mit dem Flansch sealing concept
ab, sondern ragen 11,5 mm in den Zylinder-
kopf hinein. Der Spalt zwischen Krümmer-
eintrittsrohr und Zylinderauslass wird
durch einen Ring aus Graphit abgedichtet,
Bild 4. Die im Kraftnebenschluss liegenden
Dichtungen führen aufgrund ihrer radia-
len Verpressung zu einer gegenüber der
Flachdichtung deutlich verbesserten Dicht-
funktion. Die Konstruktion ermöglicht es,
auf einen traditionellen Stanzflansch zu
verzichten. Stattdessen kommt eine nur 2
mm starke Blechflanschleiste zum Einsatz,
94 MTZ 02/2006 Jahrgang 67
Bild 5: Gleichteile-
übersicht
Figure 5: Overview
of the common
parts used
trichtern aus. Für den zweiten Abgasstrang 3.4 Gleichteilekonzept chende Gleichteilekonzept konnte der Auf-
– Zylinder vier bis sechs – sind drei verschie- Vom Blechflansch am Krümmereinlass bis wand sowohl in der Entwicklung einschließ-
dene Eintrittstrichter erforderlich. zum Stanzflansch an der Verbindung von lich Konstruktion, Berechnung, Prototypen-
Bei den Katalysatoraustrittstrichtern wer- Auslassrohr und Schalldämpferanlage be- bau und Versuch als auch in der Fertigung
den ebenfalls zwei Varianten für den ersten steht das zweiflutige Abgasreinigungssys- inklusive Betriebsmittel und Werkzeugbau
und drei Varianten für den zweiten Abgas- tem aus 43 Einzelteilen. Dabei sind mit Aus- und nicht zuletzt in der Logistik auf ein Mi-
strang verwendet. Da jedoch zwei der Trich- nahme der Katalysatoreintritts- und Aus- nimum reduziert werden: In Folge dessen
ter in beiden Strängen verbaut werden, trittstrichter, der Austrittsrohre und des Fes- konnten die gesteckten Kostenziele erreicht
bleibt es in Summe bei drei verschiedenen tigkeitstilgers sämtliche Komponenten in werden.
Trichtern. Demgegenüber steigt die Vielfalt beiden Strängen identisch. Zur Erfüllung
bei den Auslassrohren deutlich an: Für den der US-amerikanischen Emissionsnorm 4 Fazit
vorderen Strang produziert Boysen in Länge ULEV II muss zum Beispiel lediglich die Be-
und Ausformung fünf verschiedene Rohre. schichtung der Keramikträger angepasst Das Abgasreinigungssystem, das Boysen für
Für den hinteren Strang sind es sechs unter- werden. Die Monolithe, Lagermatten und die NG-R6-Ottomotoren von BMW mitentwi-
schiedliche Varianten, Bild 5. die Katalysatorpatrone sind mit denen der ckelt hat, erfüllt durch innovative konstruk-
Euro-4-Fahrzeuge identisch. tive Lösungen (Dichtungskonzept, Sammler)
3.3 Intelligenter Leichtbau Auch für die geplante SULEV-Variante die Entwicklungsziele in Bezug auf Motor-
Das Gewicht des kompletten Abgasreini- sind nur vergleichsweise geringfügige Ver- leistung, Abgasgrenzwerte und Leichtbau.
gungssystems beträgt je nach Ausführung änderungen erforderlich: Die Katalysatoren Die modulare Konzeption der kompletten
zwischen 7,7 und 8,5 kg. Verglichen mit der werden hier mit Ultradünnwand-Keramik- Baugruppe ermöglicht die flexible Anpas-
entsprechenden Baugruppe aus der frühe- trägern (1200 cpsi/2,0 mil und 900 cpsi/2,5 sung der Konstruktion an unterschiedliche
ren Motorengeneration liegt die Einsparung mil) in den Abmessungen (D x L) 60 x 80 und Bauraumsituationen beziehungsweise un-
in der Größenordnung von 30 %. Sie ist zum 95 x 101,6 mm bestückt. Folgerichtig sind terschiedliche Abgasnormen. Die weitrei-
Teil das Ergebnis der kompakten Auslegung Katalysatorpatronen und Lagermatten, Ein- chende Gleichteilestrategie schafft die Vo-
der gesamten Konstruktion. Rohrlängen trittstrichter und Strömungsdüsen exakt an raussetzungen für eine deutliche Senkung
und Wandstärken wurden aufgrund von Si- die Monolithe angepasst. der Teilestückkosten. ■
mulationsrechnungen und nach intensiver Genauso flexibel wie an die Erfordernis-
Erprobung auf ein Minimum reduziert. Wie se in diversen Märkten lässt sich das Abgas-
bereits erwähnt sind die Dünnwandkera- reinigungssystem an die Anforderungen un-
mikträger kleiner und somit leichter als bis- terschiedlicher Baureihen anpassen. In der
her. Endausbaustufe wird BMW die neuen NG-
Einen wesentlichen Beitrag zur Ge- R6-Motoren in acht Modellreihen einbauen.
wichtseinsparung leistet auch das innovati- Einschließlich Rechtslenkern sind dafür
ve Verbindungskonzept an der Schnittstelle acht Varianten des beschriebenen Abgasrei-
zwischen Motor und Abgassystem. Es er- nigungssystems erforderlich, die SULEV-Va-
möglicht den Verzicht auf die traditionelle riante nicht mit eingerechnet. Dieses Spek-
gestanzte Flanschleiste. Stattdessen wird ein trum deckt Boysen mit nur einem Krüm-
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Tiefziehflansch mit einer Stärke von 2 mm mer, zwei Katalysatorpatronen, fünf Kataly- MTZ worldwide.
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verbaut. Die Gewichtsersparnis durch die satoreintrittstrichtern, drei Katalysatoraus- us or send an E-mail or fax.
Verwendung der Blechflanschleiste beträgt trittstrichtern und elf Austrittsrohren ab.
pro Krümmer rund 350 g. Durch die Modulbauweise und das weitrei- MTZ Vieweg Verlag Postfach 1546 D-65173 Wiesbaden
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