DE102010004809A1

DE102010004809A1 - Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form

Info

Publication number: DE102010004809A1
Application number: DE102010004809A
Authority: DE
Inventors: Matthias 57271 Weiß; Karl-Heinz 57271 Münker; Dietmar 57462 Baumhoff; Andreas 57482 Gerhard; Karsten Dipl.-Ing. 34613 Schenk; Michael Dr.-Ing. 57271 Henkelmann; Oliver Dipl.-Ing. 57413 Selter; Stefan Dr.-Ing. 57271 Hauk
Original assignee: Westfalia Metallschlauchtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Westfalia Metal Hoses GmbH
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2011-07-21

Abstract

Es wird ein starres, beliebig gebogenes Leitungselement beschrieben, welches einen mindestens zweilagigen, koaxialen Aufbau hat. Es besteht aus einem innen liegenden, aus mehreren Bandlagen gewickelten, flexiblen Metallschlauch, der von einem außen liegenden, starren Wickelrohr umhüllt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine rohrförmiges Leitungselement, daß ohne den Einsatz formspeichergebundener Werkzeuge in nahezu beliebigen geometrischen Abfolgen von geraden und in allen Raumrichtungen gebogenen Leitungsteilen produziert werden kann.
Bevorzugtes Anwendungsgebiet des beschriebenen Erfindungsgegenstands ist der Einsatz in Abgasanlagen im Nutzfahrzeugbereich, vornehmlich im Bereich der Abgasführung zwischen dem Turbo-Ausgang und dem Eingang in die Abgas-Nachbehandlung. Die Aufgabe solcher Leitungselemente besteht weithin darin, vorzugsweise heiße, gasförmige Medien, die einen deutlichen Temperaturunterschied (> 150°C) zur Umgebungstemperatur aufweisen, leckagefrei zu transportieren.
Da weltweite gesetzliche Vorschriften den Schadstoff-Ausstoß von PKW und Nutzfahrzeugen zukünftig deutlich nach unten regulieren, werden Abgasanlagen zukünftig vermehrt mit Nachbehandlungsmodulen wie z. B. Rußpartikel-Filtern und SCR-Systemen ausgestattet. Die Funktionsfähigkeit der Abgas-Nachbehandlungen ist in starkem Maß von der Temperatur des Abgases abhängig, mit der es in die Nachbehandlung eintritt. Dies gilt im Fall der SCR-Systeme für die katalytische Reaktion, die möglichst kurz nach dem Startvorgang zu einer nahezu vollständigen Reduktion der Stickoxide führen soll. Im Falle des Partikelfilters kann die passive Regenerierung nur beim Überschreiten einer Mindest-Abgastemperatur erfolgen. Die aktive Regenerierung, die z. B. durch das Einspritzen von unverbranntem Diesel in die Abgasanlage initialisiert wird, arbeitet ebenfalls um so effektiver, je höher die Abgastemperaturen sind. Daraus ergibt sich die Forderung, daß die Temperaturverluste im Abgas von seinem Weg vom Turbo-Ausgang bis hin zum Eingang in die Nachbehandlung zu minimieren sind.
Die betrachteten Abgasleitungen im Bereich Turbo-Ausgang bis Nachbehandlungseingang liegen bei Nutzfahrzeugen im Durchmesserbereich ca. D77 (ca. 3 Zoll) bis ca. D130 (ca. 5 Zoll). Da eine große Anzahl von Sensoren, Aktoren und Nachbehandlungsmodulen in das Nutzfahrzeug (NFZ) integriert werden, sind Bauraum und Packaging mittlerweile auch im Nutzfahrzeugbereich beschränkende Randbedingungen, die neben runden Rohrleitungen zukünftig auch ovale Rohrformen erforderlich machen können.
Starre Leitungselemente in Abgasanlagen sind in vielen Fällen Kombinationen aus geraden Rohrstücken und teils Freiform-Rohrbögen. In der überwiegenden Zahl von Anwendungen bestehen weitere Teile der Leitungen aus einfach oder mehrfach gebogenen Stahl- und Edelstahlrohren, deren kleinste Biegeradien bis hin zu 1 × Rohrdurchmesser (1 × D) gehen. Unterschiedliche Formelemente werden standardmäßig durch einen Schweißprozeß gefügt. An das Erstellen der Rohrleitung schließt oftmals ein Aufbringen von thermischen Isolationsschichten an.
Als flexible Leitungselemente werden in den Abgasanlagen von Nutzfahrzeugen oftmals mehrlagige, gewickelte Metallschläuche aus profiliertem Bandmaterial eingesetzt. Ein einfaches Ausführungsbeispiel für die als flexible Leitungselemente eingesetzten Metallschläuche ist der sogenannte Agraff-Schlauch. Weitere Ausführungsbeispiele, die gegenüber dem Agraff-Schlauch neben einer erhöhten Standzeit auch geringere Leckagen aufweisen, sind durch die Schriften DE 344 1064 C2 sowie DE 101 13 180 C2 bekannt geworden. Diesen gewickelten Metallschläuchen ist gemeinsam, daß ihr Streckweg, d. h. der ausziehbare Weg vom gestauchten in den gestreckten Zustand, üblicherweise im Bereich von 30% der gestauchten Länge liegt. Der theoretisch maximal erreichbare Streckweg der Agraff-Profile sowie deren Varianten ist kleiner 50% der gestauchten Länge. Außer den Agraff-Wickelschläuchen existieren ferner sogenannte eingehakte Wickelschläuche, deren maximal erreichbarer Streckweg größer als der Streckweg von Agraff-Wickelschläuchen ist, jedoch deutlich kleiner 100% der gestauchten Länge beträgt.
Wenn ein gewickelter Metallschlauch in eine gebogene Form gebracht werden soll, so ist sein maximal erreichbarer Streckweg ein limitierender Faktor. Der Streckweg bestimmt das Verhältnis der Bogenlängen auf den jeweils innen- und außen liegenden Biegekanten eines Rohrbogens. Wenn zum Beispiel ein Wickelschlauch einen Streckweg von 100% der gestauchten Länge hat, so ist der mit ihm erzeugbare, kleinste Rohrbogen 1,5 mal dem Schlauchdurchmesser (R = 1,5 × D). Wenn kleinere Biegeradien mit flexiblen Leitungselementen, genauer mit gewickelten Metallschläuchen, erzeugt werden sollen, so sind Ausführungsformen erforderlich, die signifikant größere Streckwege bereitstellen. Einen Zusammenhang zwischen Streckweg und kleinstem erzielbarem Biegeradius als Vielfachem des Schlauchdurchmessers zeigt 3.
Gewickelte, glasfaserverstärkte, flexible Schutzhüllen sowie gewickelte, starre Rohrleitungen aus thermoplastischen Werkstoffen (z. B. PVC, PE, PVDF) sind etablierte Produkte. In DD000000254460A5 wird eine flexible, mehrlagig gewickelten Schutzhülle beschrieben. DE102008021124B3 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen, geraden Verbundrohres, welches aus thermoplastischen Materialien und aus Gewebematerialien besteht.
Glasfaserverstärkte Kunststoffrohre werden industriell u. a. in stationären Abgasanlagen als Leitungselemente eingesetzt. Die maximalen Einsatztemperaturen sind dabei stets kleiner 400°C. Neuere Entwicklungen in der Sparte der Kunststoffe bzw. der präkeramischen – und keramischen Verbindungen erweitern den möglichen Anwendungsbereich von glasfaserverstärkten, gewickelten Rohren in Richtung höherer Temperaturen.
Vor dem geschilderten Hintergrund ist es Hauptaufgabe der Erfindung, ein starres Leitungselement für Abgasanlagen in nahezu beliebiger NURB-Spline-Form, weitgehend ohne Fügestellen und ohne die Anwendung von formspeichergebundenen Biegewerkzeugen herzustellen. Nebenaufgabe ist es, thermische Isolationseigenschaften direkt in das Bauteil zu integrieren. So ist kein gesonderter Arbeitsschritt zur thermischen Isolierung mehr erforderlich.
Die Lösung der Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form besteht gemäß 1 aus mindestens zwei unterschiedlichen Elementen. Innen liegend ist ein aus mehreren Bandlagen gewickelter Metallschlauch (11). Dieser ist zunächst flexibel und kann in nahezu beliebig gebogene Konturen gebracht werden. Sein Streckweg bestimmt die kleinsten erzielbaren Biegeradien.
Der in Kontur gebrachte Metallschlauch (11) wird außen durch ein GFK-Wickelrohr (12) umhüllt. Das GFK-Wickelrohr besteht aus temperaturbeständigem Band, z. B. aus Glasfaser-Rovings. Weitere, jedoch in der Aufzählung nicht abschließende, Bandmaterialien sind für den Einsatz unter hohen Temperaturen geeignet:

• Nadelvliese (nonwovens) aus E-Glas, präkeramischen Werkstoffen oder Metall-Textil-Verbundwerkstoffen
• Gestrickte Bänder aus E-Glas, präkeramischen Werkstoffen oder Metall-Textil-Verbundwerkstoffen
• Gestrickte Elemente aus Graphitfasern in Kombination mit saugfähigen Fasern.

Die gewickelten Bänder sind mit einer aushärtbaren Flüssigkeit getränkt. Hierfür kommen z. B. Polyester-, Vinylester- oder Epoxidharze in Frage. Auch keramische Werkstoffe wie z. B. CBPC (Chemically Bonded Phosphate Ceramics) können zum Einsatz kommen. Das GFK-Wickelrohr (12) kann vorzugsweise im Parallel- oder im Kreuzwickelverfahren hergestellt werden.
Eine weitere Ausführungsform gemäß 2 sieht einen mehrlagigen Aufbau vor. Zwischen dem Metallschlauch (11) und dem GFK-Wickelrohr (12) liegt eine dritte Materialschicht (21). Diese dritte Materialschicht verbessert die thermischen Isolationseigenschaften. Sie besteht vorzugsweise aus einem schlauchförmigen Metallgestricke. Darüber hinaus können für (21), beispielhaft und in der Aufzählung nicht abschließend, auch höherwertige Isolationsmaterialien wie Nadelvliese, Gewebebänder, Metall-Textil-Verbundwerkstoffe.
Eine weitere Ausführungform sieht thermisch isolierende Beschichtungen auf dem Metallschlauch (11) oder dem Band des GFK-Wickelrohrs (12) vor.
Neben dem Einsatz in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen sind weitere Einsatzgebiete für das Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form beispielsweise, jedoch nicht in abschließender Aufzählung, in Verbindung mit Gasturbinen, Fernwärmeleitungen und Schornsteinsystemen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3441064 C2 [0006]
DE 10113180 C2 [0006]
DD 000000254460 A5 [0008]
DE 102008021124 B3 [0008]

Claims

Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens zweilagige, koaxiale Aufbau aus einem innen liegenden, aus mehreren Bandlagen gewickelten, flexiblen Metallschlauch besteht, der von einem außen liegenden, starren Wickelrohr umhüllt wird.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem innen liegenden flexiblen Metallschlauch und dem starren Wickelrohr mindestens eine Materialschicht befindet, die die thermischen Isolationseigenschaften verbessert.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das starren Wickelrohr eine Beschichtung aufweist, die die thermischen Isolationseigenschaften verbessert.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Metallschlauch eine Beschichtung aufweist, die die thermischen Isolationseigenschaften verbessert.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Metallschlauch ein einfach eingehakter Schlauch ist.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Metallschlauch ein Agraff-Schlauch ist.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Metallschlauch aus mindestens zwei unterschiedlichen Profilgeometrien besteht.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Streckweg des flexiblen Metallschlauchs mehr als 100% seiner gestauchten Länge beträgt.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Wickelrohr aus Glasfaser-Rovings besteht.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Wickelrohr unter anderem aus Nadelvlies besteht.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Wickelrohr unter anderem aus Metall-Textil-Verbundwerkstoffen besteht.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Wickelrohr unter anderem aus E-Glas besteht.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Wickelrohr unter anderem aus präkeramischen Werkstoffen besteht.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Wickelrohr unter anderem aus gestrickten Graphitfasern in Kombination mit saugfähigen Fasern besteht.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Wickelrohr unter anderem aus Polyesterharzen besteht.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Wickelrohr unter anderem aus Vinylesterharzen besteht.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Wickelrohr unter anderem aus Epoxidharzen besteht.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Wickelrohr unter anderem aus CBPC (Chemically Bonded Phosphate Ceramics) besteht.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Wickelrohr parallel gewickelt ist.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Wickelrohr gekreuzt gewickelt ist.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es im Zusammenbau starr ist.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es technisch gasdicht ist.
Leitungselement in beschränkt beliebiger NURB-Spline-Form gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es metallische Anschlußtechnik für den kraft-, form- oder stoffschlüssigen Einbau in eine Abgasanlage aufweist.