CN1854476B - 排气系统及其相关联的排气处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机尤其是机动车辆内燃机上的排气系统(1)的排气处理装置(4)。所述的装置(4)包括一个壳体(10)，所述壳体布置有至少一个排气处理插入件(11)并由至少两个外壳部分(13、14)组成，至少其中的一个是由铁素体材料组成，而至少其另一个是由奥氏体材料组成。为了提高所述装置(4)的耐热性，至少一个铁素体外壳部分(13)借助一连接(5)固定在至少一个奥氏体外壳部分(14)上，其中所述的连接(5)由一种其热膨胀系数处于铁素体材料和奥氏体材料的热膨胀系数之间的材料组成。

Description

排气系统及其相关联的排气处理装置
技术领域
本发明主要涉及一种内燃机排气系统，尤其涉及一种在机动车辆上的内燃机排气系统，以及用于这样一种排气系统的排气处理装置。
背景技术
奥氏体钢通常被用于制造要承受高热负荷的排气系统的零件，而且现已证明在一壳体中布置有至少一个排气处理插入件尤其一个催化转换元件的排气处理装置中，由铁素体钢制造该壳体对于该排气处理插入件的安装是有利的。因此在由铁素体零件和奥氏体零件组成的一个排气系统内必须采用混合的铁素体-奥氏体连接结构。
在现代内燃机例如尤其被用于机动车辆的现代内燃机中，正被注意到的一个问题是，排气温度的提高会由于在混合的铁素体-奥氏体连接结构的区域产生热疲劳而导致发生故障。为了避免以热量为条件而产生的这些疲劳现象，原则上说，构建排气系统存在着完全由铁素体或奥氏体产生危险性区域的可能。然而由于例如铁素体材料对许多应用场合来说，其耐温性不够，排气系统的热负荷区域完全由奥氏体或铁素体构建并不是始终可能的。同时，奥氏体材料可能并不适用于安装排气处理插入件，例如一个催化转换器。
发明内容
本发明提供了一种对上述型式的排气系统或排气处理装置的改进设计，它可以减少尤其以热量为条件而产生疲劳现象的危险性问题，即使奥氏体和铁素体两种处理都被应用于结构中。
本发明的上述问题是通过所附的各独立权利要求的技术方案予以解决的。本发明的一些较佳实施例是从属权利要求的技术方案。
本发明是基于这样的总构思：借助于在排气系统或排气处理装置内的一个连接结构，将奥氏体的零件或铁素体的零件紧固在一起，而这个连接结构是由一种其热膨胀系数值是在铁素体零件的热膨胀系数和奥氏体零件的热膨胀系数之间进行处理而构成的。因此铁素体材料不直接固定在奥氏体材料上，而是通过一方面固定在铁素体材料上、另一方面固定在奥氏体材料上的该连接材料间接地实现固定。然而，由于该连接材料的热膨胀系数是处于被连接于它的材料(奥氏体和铁素体)的热膨胀系数间的某值，这就产生一种使发生在连接区域的应力减小的补偿效果，从而减少了由于在铁素体零件和奥氏体零件之间的连接区域上的热膨胀影响所发生的裂开危险。同时也减少了这种连接的破坏危险。因此排气系统或排气处理装置的热稳定性得到了提高。
该连接材料最好选择为，其热膨胀系数约处于奥氏体材料的热膨胀系数和铁素体材料的热膨胀系数之间的中间值。这就能够使该连接的补偿和应力减小，效果最佳化。
该连接材料较理想的是一种具有铁素体相和奥氏体相的两相材料。这样一种相材料也可以称为一种双重材料。在本发明的进一步设计中，对于这种连接原则上可以包括另一种由该连接材料组成的并且一方面紧固在铁素体零件上而另一方面固定在奥氏体零件上的零件。
另外，或者可选择为，该连接可以构成至少一个焊缝，该焊缝由连接材料组成，并且，尤其是一方面固定在铁素体零件上而另一方面固定在奥氏体材料上。对于某些应用场合，应力的足够减小以产生被装配的零件所要求提高的热稳定性，并且仅采用一个由该连接材料组成的焊缝即可予以实现。
本发明的进一步的重要特点和优点在从属权利要求中、附图中以及根据附图的相关说明中加以描述。
对于上述的以及下面要被进一步说明的一些特点的理解，不但可以采用如已指示的组合方式，而且可以采用不背离本发明范围的其它组合或分解的方式。
本发明的一些较佳实施例在这些附图中显示，并在以下的描述中被更详细地说明，而相同的标号表示同一的或相似的零件或者具有相似功能的零件。
附图说明
图1至图4分别示意地表示：
一个通过在一个奥氏体零件和一个铁素体零件之间的连接的区域上的排气系统或排气处理装置的非常简化的用于说明的纵向剖视图。
具体实施方式
根据图1至图4，本发明的一个排气系统1包括一个排气管道2。排气系统1用于排出来自内燃机的排气气体，该内燃机可以尤其被安装在一机动车辆上。因此该排气管道2是用于引导排气气体的。
排气管道2由至少两个零件3、4组成。这两个零件3、4(构件3、4)通过一种连接5固定起来。
在本发明的排气系统1中这些零件的至少一个，例如零件3是由一种奥氏体材料组成，而同时这些零件中的至少另一个，此处例如零件4是由一种铁素体材料组成。现根据本发明，借以将两个零件3、4固定起来的连接5是由这样一种材料组成：其热膨胀系数处于二者之间，即零件3的奥氏体材料的热膨胀系数和另一零件4的铁素体材料的热膨胀系数之间。
在图1所示的实施例中，所述连接5包括另一零件6，即一另一构件6。该另一构件6是由该连接材料组成，并且一方面固定在铁素体零件4上，而另一面定在奥氏体零件3上。这里这种固定是分别通过焊缝7来实现的。
在图2所示的实施例中，所述连接的本身是由焊缝9组成，而焊缝9再由一种连接材料组成。这里焊缝9将奥氏体零件3连接于铁素体零件4。与图1所示的变型不同，在图2所示的实施例中该附加的零件6可以被省略。
在图3和图4所示的实施例中，连接5，如在图1的变型中所示，又配有另一零件6，该零件6是由该连接材料组成。
在此所示的这些实施例中，在零件3为一个的情况下，包括一个排气管道，该排气管道在以下也是用标号3表示。这个排气管道3，其较理想的是一排气弯管，即形成与排气系统1的内燃机的连接，是由奥氏体材料制成。奥氏体材料的特点是具有特别高的耐温性。该另一零件4在这里较理想的是一种排气处理装置，它在以下也用标号4表示。这个排气处理装置4具有一个壳体10，它在该壳体中布置有至少一个排气处理插入件11。例如，这个排气处理插入件11借助一个支撑垫12被安装在壳体10中。这个壳体10合适地是由一种铁素体材料组成，至少在相邻于连接5的一个区域上。一种铁素体材料可以有利于安装排气处理插入件11。所述的排气处理插入件11较理想的可以是一种催化转换器元件，一种微粒过滤器元件，一种消音器元件或者上述元件中的至少两个的组合。
在本发明的排气系统中，与连接5关联的另一零件6较理想的是一个环形体或者套筒体。在图1所示的实施例中该另一零件6还被设计成漏斗形。
在上述实施例中，本发明的连接5是用于将奥氏体零件3固定在排气系统1的铁素体零件4上，而同时所述连接5在上述实施例中也用于固定在排气处理装置内的两个零件。为此目的，排气处理装置4的壳体10是由至少两个外壳部分组成。例如，在图1和图3中的外壳部分之一是一个套13，在该套中布置有排气处理插入件11，同时另一外壳部分是一个进口漏斗或者出口漏斗，或者是总的一个漏斗14。
在上面参照图1而说明的该实施例中，漏斗14构成排气系统1的一个零件，即连接5的另一零件6。因而漏斗14合适地是由该连接材料组成，并且一方面由焊缝8牢固于奥氏体零件3，另一方面由焊缝7牢固于铁素体零件4或壳体10。然而，如果将漏斗14看作排气处理装置4的一个零件，那么为了使得到一个无应力的连接成为可能，漏斗14由一种奥氏体材料制成奥氏体排气管3也许是适当的。与此相反，套13较理想的是由一种铁素体材料制成，这对于安装排气处理插入件11可能是有利的。在此布局中，根据本发明提供这样的结构即借助本发明的连接5将两个外壳部分13、14固定起来。在图1的实施例中，这个连接5是借助焊缝7在排气处理装置4内形成的。这个焊接头7就由该连接材料组成，该连接材料的热膨胀系数是处于所用漏斗14的奥氏体材料的热膨胀系数和所用套13的铁素体材料的热膨胀系数之间。
在图3所示的实施例中，连接5还包含一个附加零件，此处是一个附加的外壳部分6。这另一外壳部分6就由该连接材料组成，并且一方面固定在铁素体外壳部分(此处是套)13上，而另一方面是固定在奥氏体外壳部分(此处是漏斗14)上。在这种情况时，较理想的是再分别由焊缝7和8提供固定。当被安装时，漏斗14可以合适地由例如焊缝9固定于排气系统1的排气管道3上。
而且原则上由该连接材料形成焊缝7、8也是可以的，采用该焊缝连接5的另一外壳部分被固定在另一外壳部分13、14上。一方面将传统的铁素体焊接材料用于在另一零件6和铁素体壳体13间的焊缝7，而另一方面用于在另一外壳部分6和奥氏体外壳部分14间的奥氏体焊缝8，也是可能的。原则上，这样一种实施方式也是可以的，在这种实施方式中，在另一外壳部分6和铁素体外壳部分13之间的焊缝7由一种其热膨胀系数是处于该连接材料的热膨胀系数和该铁素体材料的热膨胀系数之间的焊接材料组成。因此，在另一外壳部分6和奥氏体外壳部分1 4之间的另一焊缝8也可以由一种其热膨胀系数是处于该奥氏体材料的热膨胀系数和该连接材料的热膨胀系数之间的焊接材料组成。
图1至图4示出了根据对焊缝7、8、9和漏斗14所选的材料，以及根据是否漏斗14被看作排气处理装置4的一个外壳部分或排气系统1的一个零件的具体情况，所用连接5的设计的各种不同的变型结构。图2和图4示出排气系统1的设计，在该设计中奥氏体零件3(排气管道)被连接于配置成排气处理装置4的另一零件4，其中其壳体10至少在相邻于连接5的区域上是铁素体的。因此，连接5在图2中设计成由所述连接材料组成的焊缝5的形式。
与这种连接5相比较不同，在图4所示的实施例中，配合有另一零件6，该零件6一方面连接于奥氏体零件3，而另一方面连接于零件4，该零件4至少在相邻于连接5的区域上是铁素体的。
如果漏斗14被看作是排气处理装置4的一个零件，则图1和图3示出本发明的排气处理装置4的设计，其中两个外壳部分即例如套13和漏斗14是借助于连接5被固定起来。在此情况时，图1示出的连接5被设计成焊缝7。与此相比不同，图3示出的连接5具有另一外壳部分6的一种设计。此处漏斗14是奥氏体的以使得到一种与奥氏体排气管道3的较小应力的连接。
有关图1，漏斗14也可以构成排气系统1的一个零件。此处这个零件14可以是例如铁素体的，并且可以通过由该连接材料形成然后构成连接5的一个焊缝8连接于奥氏体排气管3。这种布局就相应于也在图2中所示的布置，除了在图2中所示的不同，即漏斗14和套13配置成一件之外，而在图1中所示的实施例中套13和漏斗14构成分开的两个零件，它们是通过焊缝7固定起来的。
同样地，如上所述，漏斗14原可以是排气系统1的由该连接材料构成并与连接5关联的另一零件。
在图1和图3中所示的实施例中，漏斗14原则上也可形成排气系统1的一个奥氏体零件，例如该奥氏体零件作为排气管3的一个扩展端部形式。具体地说，漏斗14和排气管可以与所示的变型相比有所不同，还可制作成一件。这里连接5还可使得该奥氏体零件14固定于由排气处理装置4形成的铁素体零件及其壳体10上的应力减小。这里该固定还由连接5提供，该连接在图1的实施例中是借助由该连接材料构成的焊缝7形成，以及在图3所示的实施例中具有该连接材料构成的附加零件6。
一种铁素体钢，例如一种标准级别为1.4509、1.4510、1.4512或者1.453的钢特别适合作为一种用于排气系统1的铁素体零件，例如排气处理装置4或其壳体10，或者排气处理装置4的铁素体外壳部分，例如套13的铁素体材料。在这种连接中，该材料号应用欧洲标准EN10027-2：1992。
一种奥氏体钢，例如一种标准级别为1.428、1.4541、1.4835、1.4818、1.4301或者1.4841的钢特别适合作为一种用于排气系统1的奥氏体零件，例如排气管3，或排气处理装置4的奥氏体外壳部分，例如漏斗14的奥氏体材料。
该连接材料必须根据其热膨胀系数合适地选择，以使该热膨胀系数处于铁素体材料的热膨胀系数和奥氏体材料的热膨胀系数之间。一种也可被称为一种双重材料并具有铁素体相和奥氏体相两种相的两相材料特别适用于该连接材料。该连接材料较理想的是一种两相钢，例如一种标准级别为1.4462、1.4362、1.4162、1.4821或1.4501的钢。例如，在本发明的排气处理装置4中，另一与该连接关联的外壳部分6是由这种材料制成的。同样地，在本发明的排气系统1中，另一与连接5关联的零件6可以由这种连接材料组成。
如果连接5被设计为焊缝7、8、9或结合成这样一种焊缝7、8、9，则该连接由该连接材料组成。根据本发明的焊缝7、8、9较理想的是由这样的连接材料组成：该连接材料具有一种有奥氏体相和铁素体相的两相结构。例如，该所要求的两相材料，例如所述的标准级别为1.4462、1.4362、1.4820或Avesta 2101的双重材料可以被用作焊接材料或者焊接添加材料，以产生这样一种焊缝7、8、9。作为可选择的方案，选择该焊接材料或焊接添加材料以使它仅采用焊接方法形成，例如所要求的两相或双重的材料，这在原则上也是可以的。例如，一种铁素体材料，例如标准级别为1.4510或1.4511的材料可以被用到一种奥氏体的母材上以产生焊缝7、8、9。这种材料形成所要求的含有铁素体相和奥氏体相的两相系统，而同时符合在焊接过程和焊缝7、8、9的时效老化中确定的焊接参数。
下面将参照图1和图2更详细地说明本发明的另一替代实施例。在这个替代的方案中，壳体10可以至少在布置有至少一个排气处理插入件11的区域上由所述的连接材料组成。因此，例如至少壳体10的套13在图1所示的实施例中是由该连接材料制成。在图2所示的实施例中，其中的套13包含至少一个作为整体零件的漏斗14，套13和至少一个漏斗14都由该连接材料制成。如前所说，这种连接材料是这样一种材料，即其热膨胀系数是处于奥氏体和铁素体的热膨胀系数之间，较理想的是在它们之间的一半。一种具有奥氏体相和铁素体相两相的两相材料，即一种双重材料合适地被用于壳体10的所述区域，即至少用于套13。该被用于壳体10的套13的材料较理想的是一种两相钢，特别是标准级别为1.4462、1.4362、1.4162、1.4821或1.4501的钢。

Claims (33)

1.一种用于内燃机上的排气系统(1)的排气处理装置，它包括：
一壳体(10)，在壳体上布置有至少一个排气处理插入件(11)；
其中壳体(10)由至少两个外壳部分(13、14)组成，至少其中一个是由一种铁素体材料而至少另一个由奥氏体材料组成；
其中至少一个铁素体的外壳部分(13)借助一个连接(5)固定在至少一个奥氏体外壳部分(14)上；以及
其中这种连接(5)由一种具有一种铁素体相和一种奥氏体相的两相材料组成，该材料的热膨胀系数处于铁素体材料和奥氏体材料的热膨胀系数之间的一半。
2.根据权利要求1所述的排气处理装置，其特征在于：所述内燃机是机动车辆内燃机。
3.如权利要求1所述的排气处理装置，其特征在于：
所述的连接(5)包括另一个由两相材料组成并一方面固定于铁素体外壳部分(13)而另一方面固定于奥氏体外壳部分(14)的外壳部分(6)，或
所述连接(5)包含至少一个焊缝，其中所述焊缝是由所述两相材料组成。
4.如权利要求1至3之任一项所述的排气处理装置，其特征在于：
所述壳体的外壳部分之一是一个容纳至少一个排气处理插入件(11)的套，所述的套是铁素体的。
5.如权利要求1至3之任一项所述的排气处理装置，其特征在于：
所述壳体的另一外壳部分是一个进口漏斗或一个出口漏斗(14)，所述进口漏斗或出口漏斗(14)是奥氏体的。
6.如权利要求3所述的排气处理装置，其特征在于：所述连接(5)的外壳部分(6)是一个环形体。
7.如权利要求3所述的排气处理装置，其特征在于：所述连接(5)的外壳部分(6)是一个套体。
8.如权利要求1所述的排气处理装置，其特征在于：
所述的铁素体材料是一种铁素体钢，其标准级别为1.4509、1.4510、1.4512或1.4513，以及/或
所述的奥氏体材料是一种奥氏体钢，其标准级别为1.4828、1.4541、1.4835、1.4818、1.4841或1.4301。
9.如权利要求1所述的排气处理装置，其特征在于：
所述的连接的材料是一种两相的钢，其标准级别为1.4462、1.4362、1.4162、1.4501或1.4821，或
所述的连接的材料是一种焊接材料或一种焊接添加材料，其标准级别为1.4511、1.4510、1.4462、1.4362或1.4820。
10.如权利要求1所述的排气处理装置，其特征在于：
所述的排气处理插入件(11)是一种催化转换器元件、一种微粒过滤器元件、一种消音器元件或至少这些元件中的两个的组合。
11.一种用于内燃机的排气系统，它包括：
一引导排气气体的排气管道(2)，所述的排气管道由至少两个零件(3、4)组成；
其中所述至少两个零件(3、4)借助连接(5)被固定起来；
其中一个零件(4)至少在相邻于所述连接(5)的区域上由铁素体材料组成，而另一零件(3)在至少相邻于所述连接(5)的区域上是由一种奥氏体材料组成；
其中所述的连接(5)由一种具有一种铁素体相和一种奥氏体相的两相材料组成，该材料的热膨胀系数处于铁素体材料和奥氏体材料的热膨胀系数之间的一半。
12.根据权利要求11所述的排气系统，其特征在于：所述内燃机是机动车辆内燃机。
13.如权利要求11所述的排气系统，其特征在于：
所述连接(5)包括所述连接(5)的另一零件，其一方面固定于铁素体零件(4)而另一方面固定于奥氏体零件(3)，或
所述连接(5)包括至少一个焊缝，其中所述焊缝是由所述的两相材料组成。
14.如权利要求11至13之任一项所述的排气系统，其特征在于：
所述至少两个零件中的所述另一零件(3)是一个排气管，所述排气管(3)是奥氏体的。
15.如权利要求11至13之任一项所述的排气系统，其特征在于：所述至少两个零件中的所述一个零件(4)是一个具有用于容纳一排气处理插入件(11)的壳体(10)的排气处理装置。
16.如权利要求15所述的排气系统，其特征在于：所述的壳体(10)至少在相邻于所述的连接(5)的区域上是铁素体的。
17.如权利要求15所述的排气系统，其特征在于：所述的排气处理插入件(11)是一个催化转换器元件、一个微粒过滤器元件、一个消音器元件或者这些元件中的至少两个的组合。
18.如权利要求11至13之任一项所述的排气系统，其特征在于：
所述至少两个零件中的所述的一个零件(4)是本发明的权利要求1所述的排气处理装置。
19.如权利要求11至13之任一项所述的排气系统，其特征在于：所述的连接(5)的另一零件是一个环形体。
20.如权利要求11至13之任一项所述的排气系统，其特征在于：所述的连接(5)的另一零件是一个套体。
21.如权利要求14所述的排气系统，其特征在于：所述排气管是排气弯管。
22.如权利要求11所述的排气系统，其特征在于：
所述的铁素体材料是一种铁素体钢，其标准级别为1.4509、1.4510、1.4512或1.4513，以及/或
所述的奥氏体材料是一种奥氏体钢，其标准级别为1.4828、1.4541、1.4835、1.4818、1.4841或1.4301。
23.如权利要求11所述的排气系统，其特征在于：
所述的连接的材料是一种两相的钢，其标准级别为1.4462、1.4362、1.4162、1.4501或1.4821，或
所述的连接的材料是一种焊接材料或一种焊接添加材料，其标准级别为1.4511、1.4510、1.4462、1.4362或1.4820。
24.一种连接材料的应用，所述连接材料用于内燃机的排气系统(1)的排气处理装置内的一个连接上，所述连接用于将一铁素体材料的第一零件固定于一奥氏体材料的第二零件，其特征在于：
所述的连接材料由一种具有一种铁素体相和一种奥氏体相的两相材料组成，该连接材料的热膨胀系数处于铁素体材料和奥氏体材料的热膨胀系数之间的一半。
25.如权利要求24所述的应用，其特征在于：所述内燃机是机动车辆内燃机。
26.如权利要求24所述的应用，其特征在于：
所述的铁素体材料是一种铁素体钢，其标准级别为1.4509、1.4510、1.4512或1.4513，以及/或
所述的奥氏体材料是一种奥氏体钢，其标准级别为1.4828、1.4541、1.4835、1.4818、1.4841或1.4301。
27.如权利要求24所述的应用，其特征在于：
所述的连接材料是一种两相的钢，其标准级别为1.4462、1.4362、1.4162、1.4501或1.4821，或
所述的连接材料是一种焊接材料或一种焊接添加材料，其标准级别为1.4511、1.4510、1.4462、1.4362或1.4820。
28.一种用于内燃机上的排气系统(1)的排气处理装置，包括：
一壳体(10)，在壳体上布置有至少一个排气处理插入件(11)；
其中所述的壳体(10)至少在布置有至少一个排气处理插入件(11)的区域上是由一种具有一种铁素体相和一种奥氏体相的两相材料组成，所述材料的热膨胀系数处于铁素体材料和奥氏体材料的热膨胀系数之间的一半。
29.如权利要求28所述的排气处理装置，其特征在于：所述内燃机是机动车辆内燃机。
30.如权利要求28所述的排气处理装置，其特征在于：所述的区域包括壳体(10)的一个套。
31.如权利要求28所述的排气处理装置，其特征在于：所述的区域包括一个套以及一个进口漏斗。
32.如权利要求28所述的排气处理装置，其特征在于：所述的区域包括一个套以及一个出口漏斗。
33.如权利要求28所述的排气处理装置，其特征在于：构成所述区域的所述材料是一种两相的钢，其标准级别为1.4462、1.4362、1.4162、1.4821或1.4501。
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