DE102005004651A1 - Abgasführende Vorrichtung eines Verbrennungsmotors mit innenliegender Auskleidung sowie Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Abgasführende Vorrichtung eines Verbrennungsmotors mit innen liegender Auskleidung, wobei die Auskleidung mit kapillaren Bohrungen versehen ist, die zumindest zur abgasführenden Seite der Auskleidung offen sind, sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine abgasführende Vorrichtung eines Verbrennungsmotors mit innenliegender Auskleidung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 9.
  • Die stetige Verschärfung der zulässigen Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen verlangt eine ständige Verbesserung der Abgasnachbehandlung. Besondere Aufmerksamkeit wird dabei der Abgasreinigung in der Kaltstartphase geschenkt. Unmittelbar nach dem Start werden dabei verhältnismäßig große Mengen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen emittiert. Der Grund dafür ist u.a. die noch nicht erreichte Betriebstemperatur (Light-Off-Temperatur) des Katalysators, wodurch nur eine unzureichende Umsetzung der Kohlenwasserstoffe gewährleistet wird.
  • Üblicherweise erreicht der Katalysator nach dem Start des Motors erst nach circa einer Minute durch die Abwärme des Abgasstroms die Light-Off-Temperatur, so dass die katalytische Umsetzung des Abgases beginnt.
  • In der DE 100 48 286 A1 wird vorgeschlagen, zumindest einen Teil der unverbrannten Kohlenwasserstoffe zwischenzuspeichern. Hierzu wird ein abgasführender Leitungsabschnitt auf seiner Innenwand mit einem adsorptiv wirkenden Material, vorzugsweise auf Zeolith-Basis, beschichtet. Diese Beschichtung adsorbiert beim Kaltstart einen Teil der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und gibt diese bei höheren Temperaturen wieder ab. Die Beschichtung des Abgaskrümmers ist schon in der Kaltstartphase Abgasen mit Temperaturen von bis zu 1050°C ausgesetzt. Dieses hat den Nachteil, dass die Beschichtung sich sehr schnell auf die Desorptionstemperatur aufheizt und somit nur wenig Kohlenwasserstoffe für die Zeit der Aufheizung des Katalysators auf die Light-Off-Temperatur zwischengespeichert werden können. Ferner werden hohe mechanische Ansprüche an die direkt auf die Innenwand des Abgaskrümmers aufgebrachte Beschichtung gestellt. Sie muss hohen Temperaturschwankungen und thermischen Spannungen, die sich durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen von Keramik und Metall ergeben, standhalten, ohne dass Teile der Beschichtung abplatzen und stromab in den Katalysator gelangen.
  • Ein weiterer Ansatz ist es, formstabile poröse Einlagen (Inlays), typischerweise hochtemperaturbeständige keramische Sinterformkörper, in den Leitungsabschnitt einzulegen bzw. einzukleben. Diese Einlagen haben eine bessere Formstabilität und eine hinsichtlich leicht kondensierbaren Gasbestandteilen absorbierende und/oder adsorbierende Wirkung. Ein Nachteil dieses Systems liegt in der unangepassten Wärmeübertragung beziehungsweise Wärmeableitung begründet. Die porösen Einlagen stellen im Allgemeinen sehr wirksame Wärmeisolatoren dar, so dass das Abgas nur noch schwach über die Oberflächen der abgasführenden Vorrichtung gekühlt wird. Dies ist zwar während der Startphase vorteilhaft, da der Katalysator schneller auf die Light-Off-Temperatur gebracht wird, doch im Dauerbetrieb führt diese Wärmeisolierung zu einem hohen Wärmeeintrag in den Katalysator mit der Gefahr der Überhitzung des Katalysatormaterials.
  • Da die bekannten porösen Sinterformkörper als Einlage für abgasführende Vorrichtungen oder -leitungen in der Regel nur eine geringe mechanische Festigkeit aufweisen, muss das Leitungsmaterial im wesentlichen die gesamte Strukturfunktion übernehmen, so dass sich die Konstruktion der Leitung hier gegenüber der Vorrichtung ohne Einlagen nicht leichter auslegen lässt. Diese Gewichtszunahme des Gesamtsystems der gasführenden Leitung stellt einen Nachteil im Sinne des angestrebten Leichtbaus dar.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine abgasführende Vorrichtung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, welche eine gute Speicherkapazität für leicht kondensierbare Gasbestandteile, sowie einen an Start- und Dauerbetriebsphase angepassten Wärmehaushalt aufweist, wobei das Gewicht des gesamten Abgasleitsystems höchstens geringfügig erhöht werden darf.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine abgasführende Vorrichtung eines Verbrennungsmotors mit innen liegender Auskleidung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer abgasführenden Vorrichtung eines Verbrennungsmotors mit innen liegender Auskleidung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 9. Die weiteren Patentansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung an.
  • Erfindungsgemäß ist in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung eine abgasführende Vorrichtung eines Verbrennungsmotors mit innenliegender Auskleidung vorgesehen, wobei die Auskleidung mit kapillaren Bohrungen versehen ist, die zumindest zur abgasführenden Seite der Auskleidung offen sind. Die Bohrungen können demnach durchgehend und oder nicht durchgehend durch die Auskleidung ausgestaltet sein.
  • Eine mit derartigen Bohrungen versehene modifizierte Struktur der Auskleidung der abgasführenden Vorrichtung vergrößert die aktive Oberfläche der Auskleidung.
  • Unter aktiver Oberfläche ist dabei die Oberfläche zu verstehen, welche adsorptiv oder absorptiv auf die leicht kondensierbaren Gasbestandteile, wie beispielsweise niedere Kohlenwasserstoffe (CHx), wirkt. Die aktive Oberfläche umfasst somit sowohl die äußere wie auch die durch die Bohrungen erzeugte innere Oberfläche der Auskleidung.
  • Eine derartige modifizierte Struktur erleichtert die HC-Kondensation, insbesondere eine HC-Kapillarkondensation, und besitzt darüber hinaus eine Kapillarwirkung, mittels welcher das HC-Kondensat in das Innere der Struktur und/oder in abgasärmere Regionen der abgasführenden Vorrichtung transportiert wird und/oder bis zur Desorption zurückgehalten wird.
  • Die Bohrungen können in eine metallische oder eine keramische Auskleidung eingebracht sein. Vorteilhaft ist es, wenn die Innenwand der Vorrichtung und die in ihr befindliche Auskleidung aus Material mit gleichem oder ähnlichen Wärmeleitvermögen bestehen, z.B. beide aus Metall, sodass es auch bei hohen Temperaturschwankungen nicht oder kaum zu thermischen Spannungen kommt. Die Bohrungen können in eine massive oder poröse Auskleidung eingebracht sein.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Auskleidung mit kapillaren Bohrungen unterschiedlicher Tiefe und/oder unterschiedlicher Durchmesser versehen. Der Durchmesser der Bohrungen liegt zwischen 10 und 1000 μm, ihre Tiefe beträgt mindestens 10 μm.
  • Kondensationsfördernd sind Bohrungen deren Durchmesser mit der Tiefe variiert, insbesondere abnimmt.
  • Bevorzugt ist die Auskleidung derart mit kapillaren Bohrungen unterschiedlicher Tiefe und/oder unterschiedlicher Durchmesser versehen ist, dass sie einen Gradienten ihrer aktiven Oberfläche aufweist. Beispielsweise geht nur ein Teil der Bohrungen tief in die Auskleidung oder gar hindurch, während der Hauptteil sich lediglich im oberflächennahen Bereich der abgasführenden Seite der Auskleidung befindet. Dadurch weist eine oberflächennahe Schicht der Auskleidung eine größere innere Oberfläche auf als eine oberflächenferne Schicht.
  • Besonders vorteilhaft ist der Gradient so ausgelegt, dass sich die aktive Oberfläche im Mittel über die gesamte Länge des Gradienten um mindestens 20% ändert. Der Gradient kann dabei sowohl stetig als auch in Stufen verlaufen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Auskleidung mit kapillaren Bohrungen versehen, die senkrecht zur abgasführenden Oberfläche der Auskleidung angeordnet sind. Derartige senkrechte Bohrungen sind besonders einfach in eine Auskleidung einzubringen.
  • In einer alternativen oder additiven vorteilhaften Ausgestaltung ist die Auskleidung mit kapillaren Bohrungen versehen, die geneigt zur abgasführenden Oberfläche der Auskleidung angeordnet sind. Dabei kann die Neigung in oder gegen die Richtung der Gasströmung verlaufen. Vorteilhaft ist ein Neigungswinkel zur Oberfläche zwischen 30° und 60°.
  • Die Neigung der Bohrungen hat Einfluss auf die Menge und Geschwindigkeit, mit der Gas aufgenommen, adsorbiert und kondensiert wird, sowie auf das Strömungsverhalten des Gases. Daher ist es vorteilhaft, die Bohrungen lokal unterschiedlich zu neigen. Beispielsweise sind die Bohrungen in Bereichen, in denen es vor allem auf eine ungestörte Strömung ankommt, gegen die Strömung geneigt, um möglichst wenig Turbulenzen und damit verbundene Rückvermischung der Gase zu erzeugen. In ruhigeren Strömungsbereichen sind die Bohrungen hingegen mit der Strömung geneigt, um ein möglichst effizientes Eindringen des Gases zu gewährleisten. In manchen Bereichen ist es vorteilhaft lokal Bohrungen unterschiedlicher Neigungen in der Art eines Geflechts (nichtverbundener Bohrungen) oder eines Tunnelsystems (verbundener Bohrungen) zu gestalten.
  • In einer weiteren Ausführung sind die Innenwand der abgasführenden Vorrichtung und die Auskleidung in stoff- und formschlüssigem Kontakt, wobei eine Übergangsschicht gebildet wird, in der die Bohrungen der Auskleidung teilweise durch das Material der Innenwand der abgasführenden Vorrichtung gefüllt sind. Das Material der Auskleidung geht quasi über eine Verbindungsschicht aus Durchdringungsgefüge in das Material der abgasführenden Vorrichtung über.
  • Einer der Vorteile der erfindungsgemäßen Auskleidung besteht darin, dass die Bohrungsstruktur deutlich höhere Steifigkeit aufweist als üblicherweise verwendetes poröses Material. Dies gilt insbesondere bei geschlossener Oberfläche auf der Außenseite der Auskleidung. Dadurch kann die Wandstärke der abgasführenden Vorrichtung, beispielsweise ein Blechkrümmer eines Kraftfahrzeugmotors, reduziert werden.
  • Hierdurch wird es auch möglich, eine luftspaltisolierte abgasführende Leitung, insbesondere einen luftspaltisolierten Krümmer, zu erhalten, indem die Auskleidung mit einer geschlossenen Außenoberfläche versehen ist. Zwischen dieser geschlossenen Außenoberfläche und der Innenseite der abgasführenden Vorrichtung ist hierbei zumindest teilweise ein Luftspalt, der typischerweise einige Millimeter Dicke aufweist, angeordnet. Durch die Wärmeisolation des Luftspalts kann in vorteilhafter Weise eine Verbesserung der Kaltstarteigenschaften des Verbrennungsmotors erreicht werden. Auf eine gesonderte Vorrichtung eines luftspaltisolierten Krümmers kann verzichtet werden, was sich u. a. günstig auf das Gewicht auswirkt.
  • Über die durch die Auskleidung hindurchgehenden Bohrungen ist es möglich, dass Abgase in den Luftspalt gelangen, und dort im gasförmigen und/oder im flüssigen Zustand zunächst zurückgehalten werden, wodurch sich die Speicherkapazität weiter erhöht.
  • Als Materialien für die Auskleidung sind zusammengesetzte Metalle und/oder Keramiken geeignet. Zu den gut geeigneten Legierungen zählen die hochtemperatur- und oxidationsbeständigen Legierungen auf der Basis von Ni, NiCr und/oder NiCrAl, sowie hochlegierte Stähle. Zu den gut geeigneten Keramiken zählen refraktäre Oxide, wie beispielsweise Al2O3, ZrO2, Schamotte und dergleichen, sowie SiC, oder Si3N4.
  • Eine bevorzugte Variante einer metallischen Auskleidung weist eine Kombination aus zwei unterschiedlichen Metalllegierungen auf, wobei die erste aus einer Nickel-haltigen Legierung und die zweite aus einer katalytisch aktiven Edelmetall-haltigen Legierung besteht.
  • Eine weitere bevorzugte metallische Variante umfasst zwei Metalle, beziehungsweise Legierungen, die einen starken Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
  • Für gemischte Strukturen aus keramischen und metallischen Materialschichten ist es von Vorteil, die keramischen Schichten auf der Außenseite der Auskleidung, oder beidseitig von metallischen Schichten umgeben, anzuordnen. Hierdurch kann verhindert werden, dass abgelöstes feines keramisches Material in den Gasstrom gelangt.
  • Ein Vorteil dieser kombinierten Bauweise ergibt sich daraus, dass die außenliegenden Schichten durch die weiter innen liegenden Materialschichten zumindest in der Startphase, beziehungsweise Kaltstartphase eines Verbrennungsmotors, thermisch abgeschirmt werden. Dadurch wird die Temperaturerhöhung im Außenbereich verzögert und die Adsorptionswirkung in diesem Bereich länger aufrecht erhalten. So wird es beispielsweise im Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs möglich, die Absorptionswirkung von porösem Zeolith, oder zeolithbeschichtetem Material annährend bis zum Erreichen der KAT-Light-Off-Temperatur (Starttemperatur des Katalysators) zu gewährleisten.
  • Die Gradierung von Aufbau und Material der Auskleidung, insbesondere in Verbindung mit den kombinierten Materialien, wird bevorzugt so eingestellt, dass Wärmeleitfähigkeit, Wärmeübertragung und Wärmekapazität in der Startphase zu einer minimalen Selbsterwärmung und einer maximalen Aufheizung des Katalysators bis zur KAT-Light-Off-Temperatur führen. Hierdurch wird eine hohe Speicherkapazität für leichtkondensierbare Abgasbestandteile, insbesondere CHx und frühe Verfügbarkeit des Katalysators gewährleistet.
  • Während des Betriebes heizt die Auskleidung durch und gibt die adsorbierten Stoffe wieder frei, so dass diese durch den Katalysator, dessen Temperatur nun über der KAT-Light-Off-Temperatur liegt, katalytisch zersetzt werden. Die Auskleidung gibt dann überschüssige Wärme über die Oberfläche der abgasführenden Vorrichtung ab, so dass eine mögliche Überhitzung des Katalysators vermieden werden kann.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer abgasführenden Vorrichtung eines Verbrennungsmotors mit innen liegender Auskleidung, wobei in die Auskleidung kapillare Bohrungen eingebracht werden.
  • Das Herstellen der bohrungsfreien Auskleidung sowie das Einpassen und Befestigen der mit Bohrungen versehenen Auskleidung erfolgt nach allgemein bekannten Methoden.
  • Die Bohrungen können vor oder nach dem Einpassen und Befestigen der Auskleidung in diese eingebracht werden. Vorteilhafte Verfahren zur Einbringung der Bohrungen sind das Senkerodieren oder das Laserbohren, mit denen auch Bohrungen mit variierendem Durchmesser herstellbar sind.
  • Bevorzugt wird eine solche Auskleidung so in die abgasführende Vorrichtung eingesetzt, dass sich zwischen der Außenwand der Auskleidung und der Innenwand der abgasführenden Vorrichtung zumindest teilweise ein Luftspalt ausbildet. Besonders bevorzugt ist dann der überwiegende Teil der Außenwand der Auskleidung durch einen Luftspalt von der Innenwand der gasführenden Vorrichtung getrennt.
  • Die mechanische Verbindung zwischen der porösen Auskleidung und der abgasführenden Vorrichtung kann über metallische oder keramische Abstandshalter erfolgen, die beispielsweise eingeklebt oder verschweißt werden. Des Weiteren können die Auskleidung bzw. die Innenteile des LSI-Krümmers pulvermetallurgisch hergestellt werden.
  • In den nachfolgend beschriebenen Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgerecht mögliche Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt. Die Abbildungen sollen das Prinzip der Erfindung näher erläutern und sind keinesfalls einschränkend auszulegen.
  • Dabei zeigen:
  • 1 einen Ausschnitt der abgasführenden Oberfläche abgewandten Seite einer Auskleidung eines Abgaskrümmers mit regelmäßig angeordneten, durchgehenden Laserbohrungen.
  • 2 Kapillarbohrungen unterschiedlicher Ausrichtung, Durchmesser und Länge.
  • Gemäß einem ersten in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden in die Auskleidung eines Abgaskrümmers mittels Laserbohrens in regelmäßigen Abständen von 3 mm durchgehende, zur Oberfläche senkrecht ausgerichtete Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,5 mm eingebracht. Danach wird die Auskleidung in den Abgaskrümmer eingepasst und befestigt.
  • Gemäß einem zweiten in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden in die Auskleidung eines Abgaskrümmers mittels Laserbohrens in unregelmäßigen Abständen von 0 bis 3 mm durchgehende und nicht durchgehende, zur Oberfläche in unterschiedlichen Richtungen und unterschiedlichen Winkeln geneigte Bohrungen mit unterschiedlichen Durchmessern von 0,1 bis 0,5 mm eingebracht, so dass ein Geflecht aus miteinander verbundenen und nicht verbundenen Bohrungen resultiert.
  • Gemäß einem dritten nicht figürlich dargestellten Ausführungsbeispiel werden Bohrungen mit von der Oberfläche aus abnehmendem Durchmesser in die Auskleidung eingebracht.
    •

Claims (9)

  1. Abgasführende Vorrichtung eines Verbrennungsmotors mit innenliegender Auskleidung dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidung mit kapillaren Bohrungen versehen ist, die zumindest zur abgasführenden Seite der Auskleidung offen sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidung mit kapillaren Bohrungen unterschiedlicher Tiefe und/oder unterschiedlicher Durchmesser versehen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidung derart mit kapillaren Bohrungen unterschiedlicher Tiefe und/oder unterschiedlicher Durchmesser versehen ist, dass sie einen Gradienten ihrer aktiven Oberfläche aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidung mit kapillaren Bohrungen versehen ist, die senkrecht zur abgasführenden Oberfläche der Auskleidung angeordnet sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidung mit kapillaren Bohrungen versehen ist, die geneigt zur abgasführenden Oberfläche der Auskleidung angeordnet sind.
  6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Außenwand der Auskleidung und der Innenwand der abgasführenden Vorrichtung zumindest teilweise ein Luftspalt ausgebildet ist, vorzugsweise derart, dass der überwiegende Teil der Außenwand der Auskleidung durch den Luftspalt von der Innenwand der abgasführenden Vorrichtung getrennt ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung im Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges, vorzugsweise vor einem Mehrwege-Abgaskatalysator, angeordnet ist.
  8. Verwendung einer abgasführenden Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche als Abgaskrümmer in einem Kraftfahrzeug.
  9. Verfahren zur Herstellung einer abgasführenden Vorrichtung eines Verbrennungsmotors mit innenliegender Auskleidung, gekennzeichnet durch das Einbringen kapillarer Bohrungen in die Auskleidung.
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