DE102006033825A1

DE102006033825A1 - Abgasleitung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006033825A1
Application number: DE200610033825
Authority: DE
Inventors: Christian Smatloch
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2008-01-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasleitung für eine Brennkraftmaschine mit einem ein Abgas führenden Innenrohr, mit einem das Innenrohr in einem vorgegebenen radialen Abstand ummantelnden Außenrohr und mit einem zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr angeordneten Isoliermaterial, wobei das Innenrohr eine strukturierte Mantelfläche aufweist, derart, dass unterschiedliche Wärmeausdehnungen des Innenrohres einerseits und des Außenrohres andererseits bei thermischer Belastung derselben kompensiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasleitung für eine Brennkraftmaschine mit einem ein Abgas führenden Innenrohr, mit einem das Innenrohr in einem vorgegebenen radialen Abstand ummantelnden Außenrohr und mit einem zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr angeordneten Isoliermaterial.
Aus der DE 43 39 290 C2 ist eine Abgasleitung für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der zwischen einem Abgas führenden Innenrohr und einem das Innenrohr ummantelnden Außenrohr ein Luftspalt gebildet wird. Hierdurch kann durch Relativverschiebung des Innenrohrs zu dem Außenrohr infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungen derselben bei einer thermischen Belastung ein Ausgleich erfolgen. Da die Anforderungen an eine Abgasleitung infolge der hohen Temperaturbelastung derselben sowie der thermischen Belastung angrenzender Bauteile der Abgasleitung gestiegen sind, ist eine Erhöhung der Isolationswirkung wünschenswert.
Aus der DE 103 34 307 A1 ist eine Abgasleitung für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgas führenden Innenrohr sowie einem das Innenrohr in einem radialen Abstand ummantelnden Außenrohr bekannt. Zur Erhöhung der Isolationswirkung ist der Zwischenraum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr mit einem Isoliermaterial gefüllt. Durch die hohe Isolationswirkung ergeben sich erhöhte Temperaturunterschiede zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr. Es ist zusätzlich eine Dichtungs- und Ausgleichseinheit vorgesehen, damit der Austritt des Isoliermaterials verhindert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasleitung für Brennkraftmaschinen sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben anzugeben, so dass bei hohem Isolationswirkungsgrad die Wärmeausdehnungskompensation der Innen- und Außenstruktur der Abgasleitung vereinfacht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr eine strukturierte Mantelfläche aufweist, derart, dass unterschiedliche Wärmeausdehnungen des Innenrohres einerseits und des Außenrohres andererseits bei thermischer Belastung derselben kompensiert werden.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Mantelfläche des Innenrohres derart strukturiert ist, dass unterschiedliche Wärmeausdehnungen einer Innenstruktur und einer Außenstruktur der Abgasleitung kompensiert werden können. Die strukturierte bzw. profilierte Formgebung des Innenrohres bewirkt beim Aufheizvorgang der Abgasleitung, dass sich das Innenrohr in der Weise ausdehnen kann, dass keine erhöhten Spannungen im Innenrohr entstehen. Hierdurch kann die Dauerhaltbarkeit der Abgasleitung wesentlich erhöht werden. Zusätzliche Maßnahmen zur Wärmeausdehnungskompensation sind nicht erforderlich. Durch die Struktur des Innenrohres selbst wird eine ausreichende Wärmeausdehnungskompensation bewirkt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Mantelfläche des Innenrohres federnd in radialer Richtung des Innenrohres ausgebildet. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Wärmeausdehnungskompensation des Innenrohres erfolgen, wobei gegebenenfalls die Federeigenschaft lokal unterschiedlich ausgebildet sein kann, so dass in Abhängigkeit von der Form der Abgasleitung unterschiedliche Grade von Wärmeausdehnung kompensiert werden können.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist das Innenrohr eine geringere Wanddicke auf als das Außenrohr. Bereits durch die geringe Wanddicke weist das Innenrohr eine gewisse Flexibilität auf. Zusätzlich weist das Innenrohr zur Bildung einer strukturierten Mantelfläche eine Mehrzahl von Erhabenheiten auf, die auf das Innenrohr eine versteifende Wirkung haben. Hierdurch kann die Dauerhaltbarkeit der Abgasleitung weiter erhöht werden. Vorteilhaft wird die akustische Abstrahlung der Abgasleitung bestehend aus Innenrohr, Isoliermaterial und Außenrohr erheblich verbessert.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht das Innenrohr aus einer Edelstahlmantelfläche mit einer Wandstärke in einem Bereich zwischen 0,05 mm bis 1,0 mm. Vorteilhaft kann hierdurch eine Nachgiebigkeit erzeugt werden, die der Kompensation der Wärmeausdehnung des Innenrohres förderlich ist.
Zur Lösung der Aufgabe weist das erfindungsgemäße Verfahren die Merkmale des Patentanspruchs 12 auf.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das Isoliermaterial prozesssicher in das Außenrohr eingesetzt werden kann. Erfindungsgemäß wird das Isoliermaterial in einem ersten Schritt mit einem ebenen Stahlflächenzuschnitt verbunden. Das so gebildete Halbzeug kann nun unter Verbiegen desselben, wobei der Stahlflächenzuschnitt als Trägerschicht für das Isoliermaterial dient, in das Außenrohr eingeführt werden. Vorteilhaft dient der Stahlflächenzuschnitt einerseits als Träger für das Isoliermaterial und zum anderen ermöglicht es nach entsprechender Formgebung die Ausbildung des Innenrohres.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Abgasleitung, die zwischen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges und einem Katalysator desselben angeordnet ist und
2 eine vergrößerte Längsschnittdarstellung einer Einzelheit X in 1.
Eine Abgasleitung 1 für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs kann beispielsweise als ein Abgaskrümmer, als ein Abgasrückführrohr oder als ein Vorrohr zur Abgasführung in einem Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Alternativ kann die Abgasleitung 1 auch in anderen Gegenständen Einsatz finden, in denen eine Abgasführung vorgesehen ist.
Wie aus 1 zu ersehen ist, erstreckt sich die Abgasleitung 1 zwischen einem Verbrennungsmotor 2 (Brennkraftmaschine) und einem Katalysator 3 des Kraftfahrzeugs. Die Abgasleitung 1 ist mit einer ersten Stirnseite 6 über einen Flansch 4 mit einem Abgasauslassrohr 5 eines Zylinderkopfes des Motors 2 verbunden. An einer gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 6' der Abgasleitung 1 ist dieselbe über einen Flansch 5 mit dem Katalysator 3 verbunden.
Die Abgasleitung 1 ist dreischichtig ausgebildet und weist im Wesentlichen ein Innenrohr 7 zur Führung eines Abgases in Pfeilrichtung 15, ein in einem vorgegebenen radialen Abstand A zu dem Innenrohr 7 angeordneten Außenrohr 8 sowie einem den Zwischenraum zwischen dem Innenrohr 7 und dem Außenrohr 8 ausfüllenden Isoliermaterial 9.
Das Innenrohr 7 und das Außenrohr 8 sind vorzugsweise im Querschnitt kreisförmig ausgebildet. Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform können die Rohre 7, 8 auch eine rechteckförmige oder andere Querschnittskontur aufweisen.
Das Innenrohr 7 ist in radialer Richtung vollständig von dem Außenrohr 8 ummantelt, wobei das Außenrohr 8 einen um den Abstand A größeren Durchmesser aufweist.
Das Außenrohr 8 besteht aus einem rostfreien Stahlmaterial, das eine übliche Wanddicke aufweist.
Das Innenrohr 7 besteht aus einem rostfreien Stahlmaterial (Edelstahlmaterial), das aus einer relativ dünnen Edelstahlfolie hergestellt ist und eine Wanddicke in einem Bereich von 0,05 mm bis 1,0 mm aufweist.
Der Stahlwerkstoff des Innenrohres 7 bzw. des Außenrohres 8 kann einen Anteil von 10 bis 30 Gew% Chrom (Cr) und einen Anteil in einem Bereich von 0,01 bis 15 Gew% Nickel (Ni) aufweisen.
Das Isoliermaterial 9 kann aus einem mikroporösen Fasermaterial bestehen, das gegebenenfalls von einem Drahtgestrick umgeben ist.
Die Wanddicke des Innenrohres 7 ist relativ klein ausgebildet. Die Mantelfläche des Innenrohres 7 ist strukturiert bzw. profiliert in radialer Richtung R unter Bildung einer Mehrzahl von Erhabenheiten 10 ausgestaltet. Wie aus 2 zu ersehen ist, weisen die Erhabenheiten 10 abwechselnd Wellenberge 10' und Wellentäler 10'' auf, so dass die Mantelfläche des Innenrohres 7 in radialer Richtung R federnd (nachgiebig) ausgebildet ist. Hierdurch können unterschiedliche Wärmeausdehnungen bei thermischer Beanspruchung der Außenstruktur (Außenrohr 8) und der Innenstruktur (Innenrohr 7) ausgeglichen werden, ohne dass zusätzliche Maßnahmen, beispielsweise durch Vorsehen von Dicht- oder Ausgleichselementen, erforderlich sind.
Die Erhabenheiten 10 des Innenrohres 7 weisen eine Höhe H auf, die einem Mehrfachen der Wanddicke d der Mantelfläche des Innenrohres 7 entspricht. Die Höhe H kann beispielsweise das Fünffache der Wanddicke d der Mantelfläche des Innenrohres 7 betragen.
Vorzugsweise erstrecken sich die Erhabenheiten 10 gleichmäßig über die gesamte Fläche des Innenrohres 7. Alternativ kann die Höhe H der Erhabenheiten 10 auch an unterschiedliche Formgebungsabschnitte der Abgasleitung 1 angepasst sein. Beispielsweise können die Erhabenheiten 10 im Krümmungsabschnitt 11 der Abgasleitung 1 anders ausgestal tet sein als in einem geraden Abschnitt 12 der Abgasleitung 1.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erhabenheiten 10 können sich diese auch noppenförmig oder domförmig aus einer Erstreckungsebene der Mantelfläche des Innenrohres 7 erheben. Wesentlich ist, dass die Strukturierung der Mantelfläche des Innenrohres 7 dazu geeignet ist, wärmeausdehnungskompensierend zu wirken.
An den Stirnseiten 6, 6' der Abgasleitung 1 verjüngt sich das Außenrohr 8, bis es mit dem Innenrohr 7 zusammenläuft. Durch diesen eingezogenen Bereich wird eine hermetische Einpassung des Isoliermaterials 9 ermöglicht. An dem Außenrohr 8 ist eine Entlüftungsöffnung 13 vorgesehen.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Abgasleitung 1 erfolgt folgendermaßen: In einem Verfahrensschritt erfolgt die Formgebung des Außenrohres 8 durch Biegen desselben. Gegebenenfalls kann die Formgebung des Außenrohres 8 durch Hydroformen erfolgen. Wesentlich ist, dass zumindest an einer Stirnseite des Außenrohres 8 keine Verjüngung desselben vorgenommen wird, so dass zu einem späteren Zeitpunkt ein das Isoliermaterial 9 aufweisende Halbzeug eingeführt werden.
Ein weiterer Verfahrensschritt umfasst die Verbindung eines Stahlflächenzuschnitts mit einem Rohr zur Bildung eines Halbzeugs. Ein mit einer Strukturierung (Profilierung) versehener ebener Stahlflächenzuschnitt wird zu einem Rohr geformt und gefügt. Anschließend wird das Rohr von dem Isoliermaterial 9 umgeben. Das Isoliermaterial 9 dauerhaft oder nur temporär an einer äußeren Mantelfläche des Rohres fixiert werden, beispielsweise durch Kleben.
In einem weiteren nachfolgenden Verfahrensschritt wird das aus dem Rohr und dem Isoliermaterial 9 bestehende Halbzeug an einer stirnseitigen Öffnung des Außenrohres 8 in dasselbe eingeführt, wobei das Halbzeug dem Biegeverlauf des Außenrohres 8 folgt. Nach Einführen des Halbzeugs in das Außenrohr 8 bildet das Rohr des Halbzeugs das Innenrohr 7 der Abgasleitung.
Die Einführung des Halbzeugs wird erleichtert dadurch, dass der Stahlflächenzuschnitt bzw. das Rohr flexibel (leicht biegbar) ausgebildet ist. Beispielsweise kann das Halbzeug mittels eines Einführtrichters stirnseitig in das Außenrohr 8 eingeführt werden, wobei der Durchmesser des zum Innenrohr 7 gebogenen Stahlflächenzuschnitts kleiner ist als der Durchmesser des Außenrohres 8.
In einem weiteren Verfahrensschritt können nun beide Stirnseiten des Außenrohres 8 durch Einzug verjüngt werden bzw. die noch verbliebene Stirnseite des Außenrohres eingezogen werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt kann das Halbzeug bzw. das nunmehr geformte Innenrohr 7 mittels Innendruck in radialer Richtung R nach außen gepresst werden. Dies kann gegebenenfalls ohne zusätzliches Werkzeug erfolgen, da das Außenrohr 8 gegenüber dem Innenrohr 7 über eine größere Wandstärke und damit höhere Festigkeit verfügt. Durch das radiale Pressen des Innenrohres 7 in radialer Richtung R nach außen wird sichergestellt, dass das Isoliermaterial 9 in einem vorgegebenen Bereich verbleibt.
Eine gasdichte Verbindung des Außenrohres 8 mit dem Innenrohr 7 kann gegebenenfalls auch unter Einbeziehung von Anschlussstellen wie Flanschen oder Schellen erfolgen. Die gasdichte Verbindung wird vorzugsweise durch Schweißen oder Löten oder Klemmen bewirkt.

Claims

Abgasleitung für eine Brennkraftmaschine – mit einem ein Abgas führenden Innenrohr, – mit einem das Innenrohr in einem vorgegebenen radialen Abstand ummantelnden Außenrohr, – mit einem zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr angeordneten Isoliermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (7) eine strukturierte Mantelfläche aufweist, derart, dass unterschiedliche Wärmeausdehnungen des Innenrohres (7) einerseits und des Außenrohres (8) andererseits bei thermischer Belastung derselben kompensiert werden.
Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche des Innenrohres (7) federnd in radialer Richtung (R) des Innenrohres (7) ausgebildet ist.
Abgasleitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (7) eine geringere Wanddicke (d) aufweist als das Außenrohr (8) und dass das Innenrohr (7) eine Mehrzahl von Erhabenheiten (10) aufweist.
Abgasleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke (d) des Innenrohres (7) in einem Bereich von 0,05 mm bis 1,0 mm liegt.
Abgasleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhabenheiten (10) des Innenrohres (7) eine ein Mehrfaches der Wanddicke (d) der Mantelfläche des Innenrohres (7) betragende Höhe (H) aufweisen.
Abgasleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhabenheiten (10) des Innenrohres (7) über die gesamte Mantelfläche des Innenrohres (7) verteilt angeordnet sind.
Abgasleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (7) Erhabenheiten (10) unterschiedlicher Formgebung und/oder Höhe aufweist.
Abgasleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (7) einen wellenförmigen Verlauf aufweist, wobei die Erhabenheiten (10) durch sich mit Wellenbergen (10') abwechselnden Wellentälern (10'') auf der dem Außenrohr (8) abgewandten Seite und/oder der dem Außenrohr (8) zugewandten Seite gebildet sind.
Abgasleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (7) noppenförmige Erhabenheiten aufweist.
Abgasleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (8) und das Innenrohr (7) aus einem rostfreien Stahl hergestellt sind, wobei zumindest das Innenrohr (7) aus einem Stahlwerkstoff mit einem Anteil von 10 Gew% bis 30 Gew% Chrom und 0,01 Gew% bis 15 Gew% Nickel besteht.
Abgasleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermaterial (9) aus einem mikroporösen Fasermaterial besteht.
Verfahren zur Herstellung einer Abgasleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, – dass die Formgebung des Außenrohres (8) durch Biegen erfolgt, – dass ein ebener Stahlflächenzuschnitt mit einer Strukturierung versehen wird, dass der ebene Stahlflächenzuschnitt zu einem Rohr (7) geformt und gefügt wird und dass dann das Rohr (7) von einem Isoliermaterial (9) umgeben wird zur Bildung eines Halbzeugs, – dass das Halbzeug in eine stirnseitige Öffnung des Außenrohres (8) eingeführt wird, wobei es dem Biegeverlauf des Außenrohres (8) folgt, – dass mindestens eine Stirnseite des Außenrohres (8) in Richtung des Innenrohres (7) eingezogen wird und – dass die Mantelfläche des Innenrohres (7) gegen die Mantelfläche des Außenrohres (8) gepresst wird zum Verdichten des Isoliermaterials (9).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten (6, 6') des Außenrohres (8) und des Innenrohres (7) fest miteinander verbunden werden.