DE102007043944A1 - Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung - Google Patents

Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung Download PDF

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Abstract

Es wird ein flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung beschrieben. Zur Erzielung der zusätzlichen Eigenschaften wird eine dafür vorgesehene, vorzugsweise aus mehreren Lagen aufgebaute Schicht mit der Gestalt eines Hohlzylinders zwischen einem die Abgase führenden, flexiblen Innenteil und einem flexiblen, gasdichten Mantelteil angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung. Bevorzugtes Anwendungsgebiet des hier beschriebenen Erfindungsgegenstands ist sein Einsatz in Abgasanlagen im Kraftfahrzeug-Bereich.
  • Die Aufgabe flexibler Leitungselemente besteht darin, schwingungsbeanspruchte Rohrleitungen flexibel miteinander zu verbinden und dabei schwingungstechnisch weitgehend zu entkoppeln.
  • Aufgrund der im PKW-Bereich vorliegenden Forderung nach Gasdichtheit ist ein Metallbalg hier oftmals ein Modul solcher Leitungselemente. DE 202006011404U1 beschreibt den typischen Aufbau eines solchen Leitungselements. Es besteht im Innenbereich aus einem gewickelten Metallschlauch, der im Innern eines gasdichten Metallbalgs zum Zweck der Abgasführung angeordnet ist. Alternative Ausführungsformen zu DE 202006011404U1 weisen zwischen dem Außendurchmesser des Metallschlauchs und dem Innendurchmesser des Metallbalgs eine zusätzliche Zwischenlage aus gestrickten Edelstahlfäden, einen so genannten „Abstandhalter" auf, um einen direkten metallischen Kontakt zwischen den beiden beschriebenen Elementen zu vermeiden ( EP 1467072A1 ). Auf dem Außendurchmesser des Metallbalgs sind eine oder mehrere Lagen eines Metallgeflechts, eines so genannten Braidings, aufgebracht. Die Aufgabe des Braidings liegt, neben dem Schutz des Metallbalgs vor Steinschlägen, vor allem in der Dämpfung des Systems. Im Betriebszustand bewegt sich das flexible Leitungselement ständig, um z. B. die Motorbewegungen vom Rest der Abgasanlage zu entkoppeln. Bei diesen Bewegungen entstehen permanent Relativbewegungen zwischen den im metallischen Kontakt stehenden Elementen. Dabei sind insbesondere die metallischen Gestricke gefährdet, da deren dünne Drähte einer permanenten metallischen Reibung und einem damit einhergehenden Verschleiß unterliegen. Die Braidings sind daher oft das Bauteil, dass die Lebensdauer des gesamten Leitungselements begrenzt. Bei einer Beschädigung des Braidings werden dessen Dämpfungseigenschaften verändert. Damit einhergehend kann es durch Motorschwingungen zur Schwingungsanregung im Leitungselement und in der Folge zu dessen Zerstörung kommen.
  • DE 102005052204 A1 beschreibt ein flexibles Leitungselement mit einem außen am Balg anliegenden Gestricke, dessen Maschen so ausgebildet sind, dass stets die Maschenschenkel auf der zur Schlauchleitung hingewandten radialen Innenseite liegen. Dieser Zustand stellt den reibungsärmsten Kontakt zwischen Metallbalg und Gestricke dar und optimiert den Zusammenbau im Hinblick auf minimale Reibung und Verschleiß. Trotzdem ist der direkte metallische Kontakt zwischen den Reibpartnern immer noch vorhanden.
  • Da weltweite gesetzliche Vorschriften den Schadstoff-Ausstoß von dieselbetriebenen Fahrzeugen zukünftig deutlich nach unten regulieren, werden Abgasanlagen zukünftig vermehrt mit Nachbehandlungsmodulen wie z. B. Russpartikel-Filtern und SCR-Systemen ausgestattet werden. Oftmals geht mit der Integration von Nachbehandlungsmodulen die Forderung einher, dass kein ungereinigtes Abgas das System verlassen darf. Dies erfordert, dass insbesondere auch die flexiblen Leitungselemente gasdicht sind, da deren Einbauposition in der Regel zwischen Motorausgang und vor dem Eingang der Abgasleitung in die Nachbehandlungsaggregate liegt. Ein wesentlicher Teil der Nachbehandlung ist oftmals ein Russpartikel-Filter. Die darin enthaltenen Filtermatten werden mit steigender Betriebszeit von Russpartikeln verschlossen, so dass der Staudruck in der Abgasanlage ansteigt. Beim Erreichen eines kritischen Wertes kann eine aktive Filter-Regeneration erfolgen, bei der, z. B. durch das Einspritzen von zusätzlichem unverbrannten Dieselkraftstoff in die Abgasanlage, ein Abbrennen der Russpartikel aus den Filtermatten ausgelöst wird.
  • In einigen Anwendungen kann eine so genannte passive Regeneration erzielt werden. Dabei ist die im Normalbetrieb erreichte Abgastemperatur so hoch, dass es ohne zusätzliche Auslöser zu einer permanenten Regeneration der Filtermatten kommt. Die passive Regeneration kann ohne zusätzliche Maßnahmen ausgelöst werden und ist somit gegenüber der aktiven Regeneration die ökonomischere Variante. Die Voraussetzung dafür ist eine möglichst hohe Abgastemperatur im Partikelfilter. Um diese zu erzielen ist sicherzustellen, dass auf dem Weg des Abgases vom Motorausgang bis zum Filtereingang die Wärmeverluste minimal sind. Dahingehende technologische Spezifikationen fordern einen Temperaturverlust von maximal 20° Celsius auf diesem Weg. Zu deren Erfüllung ist es erforderlich, die Rohrleitung komplett zu isolieren. Dazu ist neben der Isolierung der starren Leitungsabschnitte ebenfalls die Isolierung des flexiblen Leitungselements notwendig.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine kombinierte Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung für flexible Leitungselemente bereitzustellen, welche ähnliche Dämpfungseigenschaften wie ein Metallgestricke (Braiding), jedoch mit minimaler Reibung und mit minimalem Verschleiß, aufweist. Die gleichzeitige Isolation des flexiblen Leitungselements, so dass der Temperaturabfall im durchströmenden Abgas sehr klein ist, ist weitere Aufgabe der Erfindung.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße kombinierte Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem mehrlagigen, flexiblen Verbundwerkstoff, der zunächst eben ist und vor dem Verbringen in oder an das Leitungselement eine zylinderringförmige Kontur erhält.
  • Sein mehrlagiger Aufbau sieht in den späteren Kontaktbereichen mit den metallischen Modulen des flexiblen Leitungselements Lagen des Verbundwerkstoffs vor, die unter hoher Temperatur Schmiereigenschaften besitzen. Folgende Stoffe sind beispielhaft, jedoch in der Aufzählung nicht abschließend für die Lagen mit Schmiereigenschaften unter hoher Temperatur geeignet:
    • • Gestrickte Elemente aus Edelstahlfasern und Graphitfasern.
    • • Gestrickte Elemente aus Edelstahlfasern und saugfähigen Fasern, an denen durch Tauchen in eine Flüssigkeit eine Graphit-Anlagerung erzeugt wird.
    • • Precursorbeschichtetes Gewebe, bei dem der Grundwerkstoff Aluminiumoxid ist.
    • • Precursorbeschichtetes Gewebe, bei dem der Grundwerkstoff glasartig ist.
    • • Ein präkeramisches Polymer in fester, gelartiger oder schaumförmiger Konsistenz.
    • • Faserverstärktes Gestricke aus Graphitband.
  • Ebenso können Kombinationen aus den genannten Zwischenstoffen für spezielle Anwendungen besonders geeignet sein. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht engmaschige Gestricke für die Lagen mit Schmiereigenschaften unter hoher Temperatur vor.
  • Neben den Lagen mit Schmiereigenschaften unter hoher Temperatur ist mindestens eine Lage eines Wärme isolierenden Materials vorgesehen. Folgende Stoffe sind beispielhaft, jedoch in der Aufzählung nicht abschließend für die Lagen mit Schmiereigenschaften unter hoher Temperatur geeignet:
    • • Metall-Textil-Verbundwerkstoffe
    • • Nadelvliese
    • • texturiertes E-Glas
    • • Gewebe aus keramischen Fasern, temperaturbeständigen Trägerfasern und festigkeitssteigernden Edelstahldrähten.
  • Die Isolierwerkstoffe treten nicht direkt mit den metallischen Komponenten des flexiblen Leitungselements in Kontakt. Vielmehr werden sie durch die Lagen mit Schmiereigenschaften von diesem direkten Kontakt abgeschirmt. Ein Sandwich-Aufbau mit mehreren aufeinander folgenden Lagen mit abwechselnd Schmiereigenschaften, Isolationswirkung und Dämpfungswirkung kann zur Einstellung eines definierten Dämpfungsverhaltens verwendet werden.
  • Die kombinierte Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung wird beim Zusammenbau in dem oder an das Entkopplungselement derart verbracht, dass in einer bevorzugten Ausführungsform das flexible Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 hervorgeht.
  • In einer ersten Ausführungsform (1) werden die Schichten der kombinierten Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung (13, 14, 15) rohrförmig gestaltet und zwischen dem inneren, abgasführenden Schlauch (11) und dem gasdichten Element, z. B. einem gasdichten Metallbalg (12), positioniert. Alternativ zu einem Metallbalg kann ein gasdichtes Bauteil z. B. gemäß WO 2004/055422 A1 oder nach DE 10 2005 048479 A1 in den Zusammenbau integriert werden. In den Endbereichen umschließen die Lagen der 14 und 15, welche Schmiereigenschaften besitzen, die wärmeisolierende Lage 13. Somit liegen in den Endbereichen (16, 17) nur metallische Teile vor, die miteinander gefügt werden können.
  • In einer zweiten Ausführungsform wird der oben beschriebene Zusammenbau um eine Dämpfungsschicht (21) erweitert. Diese wird bevorzugt oberhalb der wärmeisolierenden Lage (13) angeordnet.
  • Eine dritte Ausführungsform sieht einen Aufbau gemäß 1 vor. Die wärmeisolierende Lage hat jedoch bei dieser dritten Variante keine strukturelle Integrität. Vielmehr besteht sie aus einer Anordnung kleiner Teilchen, die zwischen den Lagen 14 und 15 in Form gehalten werden. Bevorzugt sind diese kleinen Teilchen Keramikkugeln, die durch ein engmaschiges Gestricke allseitig umgeben sind.
  • Im Außenbereich aller drei beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Leitungselements können wiederum zusätzliche Elemente wie z. B. Braidings zum Einsatz kommen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 202006011404 U1 [0003, 0003]
    • - EP 1467072 A1 [0003]
    • - DE 102005052204 A1 [0004]
    • - WO 2004/055422 A1 [0015]
    • - DE 102005048479 A1 [0015]

Claims (26)

  1. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung, dadurch gekennzeichnet, dass eine dafür vorgesehene, vorzugsweise aus mehreren Lagen aufgebaute Schicht mit der Gestalt eines Hohlzylinders zwischen einem die Abgase führenden, flexiblen Innenteil und einem flexiblen, gasdichten Mantelteil angeordnet ist.
  2. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Abgase führende Innenteil ein aus mehreren Lagen gewickelter Metallschlauch ist.
  3. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gasdichte Mantelteil ein Metallbalg mit orthogonal zur Rotationsachse angeordneten Wellungen ist.
  4. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gasdichte Mantelteil ein Metallbalg mit schraubenlinienförmig zur Rotationsachse angeordneten Wellungen ist.
  5. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gasdichte Mantelteil nicht unter einen der Ansprüche 3 oder 4 fällt.
  6. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zur kombinierten Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung aus drei Lagen aufgebaut ist, wobei die radial innen liegende Lage Schmiereigenschaften unter hohen Temperaturen besitzt, die mittlere Lage vorzugsweise Isolationseigenschaften und vergleichsweise kleine Dämpfungseigenschaften aufweist und die radial außen liegende Lage Schmiereigenschaften unter hohen Temperaturen besitzt.
  7. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zur kombinierten Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung aus drei Lagen aufgebaut ist, wobei die radial innen liegende Lage Schmiereigenschaften unter hohen Temperaturen besitzt, die mittlere Lage vorzugsweise Dämpfungseigenschaften und vergleichsweise kleine Isolationseigenschaften aufweist und die radial außen liegende Lage Schmiereigenschaften unter hohen Temperaturen besitzt.
  8. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zur kombinierten Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung aus vier Lagen aufgebaut ist, wobei die Lagen radial von innen nach außen gesehen in der Folge – Schmiereigenschaften unter hohen Temperaturen – Isolationseigenschaften – Dämpfungseigenschaften und – Schmiereigenschaften unter hohen Temperaturen besitzen.
  9. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zur kombinierten Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung aus mehr als vier Lagen aufgebaut ist, wobei die radial innen und die radial außen liegenden Lagen stets Schmiereigenschaften unter hohen Temperaturen haben, die Zwischenlagen entweder vorzugsweise Isolationseigenschaften oder aber vorzugsweise Dämpfungseigenschaften haben und beliebig kombiniert sind.
  10. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zur kombinierten Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung aus drei Lagen aufgebaut ist, wobei die radial innen und die radial außen liegenden Lagen Schmiereigenschaften unter hohen Temperaturen haben, und die Zwischenlage keine strukturelle Integrität aufweist.
  11. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach den Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierte Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung durch Kugeln aufgebaut ist.
  12. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach den Ansprüchen 1, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierten Kugeln Keramikkugeln sind.
  13. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Nebenelemente, wie z. B. Braidings, vorzugsweise am größten Außendurchmesser angebracht sind.
  14. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen zur kombinierten Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung aus mehreren Lagen gewickelt sind.
  15. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiereigenschaften unter hoher Temperatur durch gestrickte Elemente aus Edelstahlfasern und Graphitfasern bereitgestellt werden.
  16. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiereigenschaften unter hoher Temperatur durch gestrickte Elemente aus Edelstahlfasern und saugfähigen Fasern, an denen durch Tauchen in eine Flüssigkeit eine Graphit-Anlagerung erzeugt wird, bereitgestellt werden.
  17. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiereigenschaften unter hoher Temperatur durch ein precursorbeschichtetes Gewebe, bei dem der Grundwerkstoff Aluminiumoxid ist, bereitgestellt werden.
  18. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiereigenschaften unter hoher Temperatur durch ein precursorbeschichtetes Gewebe, bei dem der Grundwerkstoff glasartig ist, bereitgestellt werden.
  19. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiereigenschaften unter hoher Temperatur durch ein präkeramisches Polymer in fester, gelartiger oder schaumförmiger Konsistenz bereitgestellt werden.
  20. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiereigenschaften unter hoher Temperatur durch ein faserverstärktes Gestricke aus Graphitband bereitgestellt werden.
  21. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiereigenschaften unter hoher Temperatur durch eine Graphitfolie bereitgestellt werden.
  22. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationseigenschaften durch Metall-Textil-Verbundwerkstoffe bereitgestellt werden.
  23. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationseigenschaften durch Nadelvliese bereitgestellt werden.
  24. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationseigenschaften durch texturiertes E-Glas bereitgestellt werden.
  25. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationseigenschaften durch ein Gewebe aus keramischen Fasern, temperaturbeständigen Trägerfasern und festigkeitssteigernden Edelstahldrähten bereitgestellt werden.
  26. Flexibles Leitungselement mit kombinierter Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang eine weitere aus mehreren Lagen aufgebaute Schicht zur Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung angebracht ist.
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