DE102004053916B4

DE102004053916B4 - Abgasleitung sowie Verfahren zur Herstellung einer Abgasleitung

Info

Publication number: DE102004053916B4
Application number: DE102004053916A
Authority: DE
Inventors: Christian Smatloch
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2024-11-06
Also published as: FR2877694A1; FR2877694B1; US20060096804A1; DE102004053916A1; US7581563B2

Abstract

Abgasleitung für eine Brennkraftmaschine, umfassend ein Abgas führendes Innenrohr (4) und ein das Innenrohr (4) im Abstand umgebendes Außenrohr (6) sowie eine zwischen Innenrohr (4) und Außenrohr (6) angeordnete Isolierschicht (5), wobei das Innenrohr (4) zumindest bereichsweise mit einer mit dem Abgasstrom (AG) in Kontakt stehenden noppenartigen, wellenförmigen Profilierung (P) versehen ist, wobei Wellentäler (T) und Wellenberge (B) der Profilierung (P) in Umfangsrichtung und/oder in Längsrichtung zueinander versetzt ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (A) zwischen den Wellenbergen (B) und Wellentälern (T) kleiner oder gleich dem 5-fachen der Wandstärke (W) des Innenrohrs (4) ist und die Profilierung (P) aus sich kreuzenden Wellen gebildet ist, wobei die sich kreuzenden Wellen unterschiedlich stark ausgeprägt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasleitung für eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Abgasleitung.
Es ist bekannt, den Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine mittels Wärmedämmsystemen zu isolieren. Dabei kommen in der Regel mehrschalige Rohrleitungssysteme zum Einsatz, wobei der zwischen dem Innen- und Außenrohr vorhandene Luftspalt wärmeisolierend wirkt. Diese Art der Wärmedämmung ist hinsichtlich steigender gesetzlicher Anforderungen und begrenzter zulässiger thermischer Ausstrahlung innerhalb des Motorraums nicht für jeden Anwendungsfall zufrieden stellend. Die Dammwirkung kann durch die Verwendung von Dämmstoffen erhöht werden, wobei sich noch höhere Temperaturunterschiede zwischen dem Innensystem und dem Außensystem ergeben. Die daraus resultierenden unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der Bauteile können durch Kompensatoren, wie z. B. Schiebesitze, aufgefangen werden. Bei dieser Bauform und bei Verwendung von Faserdämmstoffen besteht allerdings die Gefahr, dass einzelne Fasern durch den pulsierenden Druck des Abgasstroms durch den Spalt des Schiebesitzes ausgeblasen werden. Dies gilt unabhängig von der Ausführungsform des Schiebesitzes für jedes Innensystem, das nicht gasdicht von dem Abgasstrom getrennt ist. Weiterhin ist nicht auszuschließen. Dass der Isolierwerkstoff selbst in den Schiebesitz gelangt und diesen im Extremfall zur Klemmung bringt.
Aus der JP 9242538 (Patent Abstracts of Japan) ist ein doppelwandiges Abgasrohr für ein Kraftfahrzeug bekannt, dessen Innenrohr zumindest bereichsweise wellenförmig profiliert ist. Durch die wellenförmige Profilierung sind Biegeoperationen an dem Abgasrohr leichter durchzuführen. Die wellenförmige Profilierung ist daher umlaufend ausgebildet. In der DE 2 915 838 A1 wird hingegen vorgeschlagen, bei einem doppelwandigen Auspuffrohr eine Profilierung in Längsrichtung vorzusehen. Die Profilierung kann sowohl an dem Innen- oder Außenrohr vorhanden sein. Eine Kompensation thermischer Längendehnungen ist durch die Längsprofilierung nicht möglich.
Durch die DE 43 45 052 A1 zählt eine doppelwandige Abgasleitung zum Stand der Technik, bei welcher das Innenrohr mindestens auf einem Teil seiner Länge an dem Außenrohr anliegt. Das Innenrohr kann mit einer regelmäßigen oder unregelmäßigen Prägung versehen sein, die über die gesamte Länge des Innenrohrs ausgeführt sein kann. Die Prägungen dienen als Distanzelemente, wie sie bisher bei längeren Abgasleitungen oder bei besonders gekrümmten Abgasleitungen als separate Bauteile notwendig waren. Das Innenrohr ist so dimensioniert, dass es im kalten Zustand der Abgasleitungen mit seinen Wellenbergen innen an dem Außenrohr anliegt.
Innenprofilierte Gasführungskanäle zählen auch durch die DE 93 14 690 U1 zum Stand der Technik. Es wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, bei einem Gasführungskanal, der aus einem rohrförmigen Blech gebildet ist, am äußeren Umfang gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilte Vorsprünge in Form von Noppen oder Ausbiegungen vorzusehen.
Es zählt zum Stand der Technik, Schiebesitze durch Faltenbälge zu ersetzen, die in direktem Kontakt mit dem Abgasstrom stehen. In der EP 0 759 502 B1 wird die Kombination eines Schiebesitzes und eines Faltenbalgs vorgeschlagen, wobei durch den Faltenbalg die Gasdichtigkeit des Innensystems hergestellt wird. Der Faltenbalg ist von einem Luftspalt umgeben. Wenn der Luftspalt mit einem Dämmstoff ausgefüllt wäre, bestünde die Gefahr, dass der Faltenbalg durch den Dämmstoff in seinen Bewegungen behindert und darüber hinaus die Dammwirkung des Dämmstoffs beeinträchtigt wird. Faltenbälge sind daher nicht in jedem Fall das optimale Mittel, um thermische Längenänderungen auszugleichen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Abgasleitung aufzuzeigen, welche besonders leicht ist, und geeignet ist, thermische Längenveränderungen in weiten Grenzen auszugleichen, ohne dass Schiebesitze oder andere Ausgleichselemente erforderlich sind. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Abgasleitung aufgezeigt werden.
Der gegenständliche Teil dieser Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 im Wesentlichen dadurch gelöst, dass das Innenrohr zumindest bereichsweise mit einer mit dem Abgasstrom in Kontakt stehenden noppenartigen Profilierung versehen ist.
Die noppenartige Profilierung ist an einem sehr dünnwandigen Innenrohr vorgesehen, wobei diese noppenartige, also dreidimensionale Profilierung die Steifigkeit des Innenrohrs erhöht. Dadurch kann die Wandstärke und damit das Gewicht des Innenrohrs reduziert werden. Die thermischen Längenänderungen können durch die Vielzahl der Noppen federnd aufgefangen werden, so dass Schiebesitze nicht erforderlich sind. Hinsichtlich der Ausführung der Profilierung ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, wobei die Grundform der Profilierung aus in sich kreuzenden Wellen besteht, die unterschiedlich stark ausgeprägt sind. Insbesondere kann die Ausprägung der in Längsrichtung verlaufenden Wellen stärker sein als die Ausprägung der in Umfangsrichtung verlaufenden Wellen, wobei die Ausprägung, das heißt die radial gerichtete Ausstellung im wesentlichen von der zu erwartenden thermischen Längenänderung abhängig gemacht wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Als besonders vorteilhaft wird eine wellenförmige Profilierung angesehen. Hierbei können die Wellentäler und Wellenberge der Profilierung in Umfangsrichtung zusätzlich auch in Längsrichtung zueinander versetzt ausgebildet sein. Die Noppen werden durch die Wellentäler und Wellenberge gebildet. Eine solche Struktur kann z. B. in einem Walzvorgang mit entsprechend profilierten Walzenpaaren in das Blech eingebracht werden. Das heißt, das Muster der Profilierung wiederholt sich. Wellenförmig im Sinne der Erfindung ist nicht notwendigerweise als sinusförmiger Verlauf zu verstehen. Unter Wellenform ist im Sinne der Erfindung eine alternierende oder auch oszillierende Anordnung von Erhöhungen und Vertiefungen zu verstehen, wobei die Wellenform von der Sinusform abweichen kann. Grundsätzlich ist es auch denkbar, z. B. zick-zack-förmige oder trapezförmige Profilierungen vorzusehen. Bevorzugt kommt allerdings eine Wellenform im Sinne einer sinusförmigen Profilierung zum Einsatz.
Da die Wellenform das Innenrohr aussteift, kann die Wandstärke des Innenrohrs sehr gering sein und insbesondere wesentlich kleiner bemessen sein, als die Wandstärke des Außenrohrs. Die Amplitude zwischen den Wellenbergen und Wellentälern ist kleiner oder gleich dem 5-fachen der Wandstärke des Innenrohrs. Die Wandstärke des Innenrohrs liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 mm bis 1 mm. Es handelt sich insbesondere um ein fein strukturiertes bzw. profiliertes Innenrohr, das vorzugsweise aus Edelstahl besteht und Chrom in Massenanteilen von 10% bis 30% sowie Nickel in Massenanteilen von 1% bis 15% enthält. Das Innenrohr kapselt den Abgasstrom fluiddicht von der Isolierschicht und dem Außenrohr ab. Dadurch wird ein Austragen der Isolierschicht durch das pulsierende Abgas wirksam verhindert. Gleichzeitig wird die akustische Abstrahlung der Gesamtstruktur, bestehend aus Innenrohr, Isolierschicht und Außenrohr, erheblich verbessert. Dadurch besitzt, die erfindungsgemäße Abgasleitung eine verbesserte akustische Dämpfung.
Die Profilierung des Innenrohrs kann sich über die gesamte Länge und den gesamten Umfang des Innenrohrs erstrecken, da dies fertigungstechnisch am einfachsten zu realisieren ist. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass die Profilierung in thermisch höher belasteten Bereichen von der Profilierung in thermisch weniger belastete Bereiche abweicht. Insbesondere kann die Prägung, d. h. die Amplitude der Profilierung in thermisch höher belasteten Bereichen größer sein, da in diesem Bereich größere thermische Längendehnungen kompensiert werden müssen als in weniger belasteten Bereichen. Ein thermisch höher belasteter Bereich kann ein Längenabschnitt und/oder auch ein Umfangsabschnitt des Innenrohrs sein. Grundsätzlich ist es möglich, auch nur einen Teilbereich des Innenrohrs mit einer Profilierung zu versehen.
Zusätzlich kann wenigstens eine der sich kreuzenden Wellen selbst wellenförmig verlaufen. Dadurch kann die Steifigkeit des Innenrohrs an den nachfolgenden Umformvorgang zur Herstellung gekrümmter Abgasleitungen angepasst werden. Grundsätzlich erleichtert die Profilierung des Innenrohrs den Umformprozess erheblich, da das profilierte Ausgangsmaterial eine höhere Steifigkeit besitzt als eine ebene Blechplatine und aufgrund der Materialreserven ein weit reichendes Dehnen und Stauchen im Umformwerkzeug ermöglicht, das bei ebenen Blechplatinen nicht ohne Risse oder Faltungen möglich ist.
Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Patentanspruchs 8 dadurch gelöst, dass eine Blechplatine profiliert wird, welcher Wellentäler und Wellenberge der Profilierung in Querrichtung und Längsrichtung der Blechplatine versetzt ausgebildet werden. Die Blechplatine wird zu dem Innenrohr oder zu Halbschalen des Innenrohrs umgeformt, wobei die Längskanten der umgeformten, profilierten Blechplatine form- oder stoffschlüssig miteinander verbunden werden, um auf diese Weise Gasdichtigkeit des Innenrohrs herzustellen. Die Längskanten können durch Falzen oder Schweißen miteinander verbunden werden. Das Innenrohr wird anschließend mit einer Isolierschicht umgeben. Die Isolierschicht kann um das profilierte Innenrohr gewickelt werden. Anschließend wird das ummantelte Innenrohr in das Außenrohr eingesetzt. Im nächsten Schritt wird das Außenrohr zusammen mit dem Innenrohr und der Isolierschicht gebogen. Abschließend werden Anschlussbauteile, wie z. B. ein Kopfflansch oder ein Schussflansch, befestigt. Auf diese Weise können z. B. Abgaskrümmer, Abgasrückführrohre oder auch Vorrohre eines Abgasstrangs hergestellt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine und
2 in vergrößerter Darstellung den Aufbau der isolierten Abgasleitung.
In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 symbolisiert, an die über einen Abgasauslass 2 eine Abgasleitung 3 angeschlossen ist. Die Abgasleitung 3 ist dreischichtig aufgebaut und umfasst ein Innenrohr 4, das von einer Isolierschicht 5 umgeben ist, sowie ein im Abstand vom Innenrohr 4 verlaufendes und den Isolierstoff 5 umgebendes Außenrohr 6. Die Abgasleitung 3 führt einen Abgasstrom AG einem Katalysator 8 zu. Mit 7 ist eine Einzelheit der Abgasleitung bezeichnet, die in 2 vergrößert dargestellt ist.
Da es bei der Erfindung im Wesentlichen auf die Ausgestaltung des Innenrohrs 4 ankommt, wurde in 2 auf die Darstellung der Isolierschicht 5 verzichtet. Diese befindet sich auch in der Einzelheit der 2 zwischen Innenrohr 4 und dem Außenrohr 6. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teilbereich des Abgasrohrs 3, wobei zu erkennen ist, dass die Wandstärke W des Innenrohrs 4 wesentlich kleiner ist als die des Außenrohrs 6. Des Weiteren ist zu erkennen, dass das Innenrohr 4 in dieser Längsschnittdarstellung wellenförmig profiliert ist. Diese wellenförmige Profilierung P setzt sich auch in Umfangsrichtung des Innenrohrs 4, das heißt in die Bildebene hinein, fort. Dies ist durch die Wellenberge B zu erkennen, die räumlich gesehen hinter der Schnittebene der 2 liegen. Wellenberge B und Wellentäler T schließen sich in diesem Ausführungsbeispiel unmittelbar und in unregelmäßiger Anordnung aneinander an. Diese Anordnung setzt sich über das gesamte Innenrohr 4 der Abgasleitung 3 sowohl in Längsrichtung als auch in Umfangsrichtung fort. Die Amplitude A zwischen den Wellenbergen B und den Wellentälern T ist kleiner oder gleich dem 5-fachen der Wandstärke W.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Abgasauslass
3: Abgasleitung
4: Innenrohr
5: Isolierschicht
6: Außenrohr
7: Einzelheit
8: Katalysator
A: Amplitude
B: Wellenberg
T: Wellental
P: Profilierung
W: Wandstärke

Claims

Abgasleitung für eine Brennkraftmaschine, umfassend ein Abgas führendes Innenrohr (4) und ein das Innenrohr (4) im Abstand umgebendes Außenrohr (6) sowie eine zwischen Innenrohr (4) und Außenrohr (6) angeordnete Isolierschicht (5), wobei das Innenrohr (4) zumindest bereichsweise mit einer mit dem Abgasstrom (AG) in Kontakt stehenden noppenartigen, wellenförmigen Profilierung (P) versehen ist, wobei Wellentäler (T) und Wellenberge (B) der Profilierung (P) in Umfangsrichtung und/oder in Längsrichtung zueinander versetzt ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (A) zwischen den Wellenbergen (B) und Wellentälern (T) kleiner oder gleich dem 5-fachen der Wandstärke (W) des Innenrohrs (4) ist und die Profilierung (P) aus sich kreuzenden Wellen gebildet ist, wobei die sich kreuzenden Wellen unterschiedlich stark ausgeprägt sind.
Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (W) des Innenrohrs (4) in einem Bereich von 0,05 mm bis 1 mm liegt.
Abgasleitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (4) aus Edelstahl besteht.
Abgasleitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff des Innrohrs (4) Chrom (Cr) in Massenanteilen von 10% bis 30% enthält.
Abgasleitung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff des Innenrohrs (4) Nickel (Ni) in Massenanteilen von 1% bis 15% enthält.
Abgasleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung in thermisch höher belasteten Bereichen von der Profilierung in thermisch weniger belasteten Bereichen abweicht.
Abgasleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei wenigstens eine der sich kreuzenden Wellen selbst wellenförmig verläuft.
Verfahren zur Herstellung einer Abgasleitung mit den Merkmalen wenigstens einer der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen: a) Profilierung eine Blechplatine, wobei Wellentäler (T) und Wellenberge (B) der Profilierung (P) in Querrichtung und in Längsrichtung zueinander versetzt ausgebildet werden, wobei die Amplitude (A) zwischen den Wellenbergen (B) und Wellentälern (T) kleiner oder gleich dem 5-fachen der Wandstärke (W) des Innenrohrs (4) ist, b) Umformen der Blechplatine zu dem Innenrohr (4) oder zu Halbschalen des Innenrohrs (4) und form- oder stoffschlüssiges verbinden der Längskanten der umgeformten, profilierten Blechplatine, c) Umgeben des Innenrohrs (4) mit einer Isolierschicht (5), d) Einfügen des ummantelten Innenrohrs (4) in das Außenrohr (6) e) Gemeinsames Biegen von Innenrohr (4) und Außenrohr (6) und Verbinden mit Anschlussbauteilen.