DE102010060071A1

DE102010060071A1 - Teil einer Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102010060071A1
Application number: DE102010060071A
Authority: DE
Inventors: Thomas Laube
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2012-05-10

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Teil einer Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, mit einer abgasführenden Einrichtung (1) und eine Isolierung (2) für diese Einrichtung (1) sowie einer im Bereich der Isolierung (2) in der Einrichtung (1) gelagerten Sensoreinrichtung (3), wobei die Sensoreinrichtung (3) einen mit einer Außenwandung (4) der Einrichtung (1) fest verbundenen Stutzen (5) und einen in diesem gehaltenen Sensor (6) aufweist.
Bei einem solchen Teil einer Abgasanlage ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Isolierung (2) im Bereich der Sensoreinrichtung (3) zwischen dem Stutzen (5) und dem Sensor (6) geklemmt ist.
Bei dieser Gestaltung kann, bei optimaler Isolation des mit der Isolierung versehenen Teils der Abgasanlage, eine Beschädigung des Sensors durch Überhitzung wirksam vermieden werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Teil einer Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, mit einer abgasführenden Einrichtung und einer Isolierung für diese Einrichtung sowie einer im Bereich der Isolierung in der Einrichtung gelagerten Sensoreinrichtung, wobei die Sensoreinrichtung einen mit einer Außenwandung der Einrichtung fest verbundenen Stutzen und einen in diesem gehaltenen Sensor aufweist.
Moderne Fahrzeugmotoren weisen sehr motornah positionierte Einrichtungen für die Nachbehandlung von Abgas auf, um ein schnelles Anspringen des Katalysators und damit ein Erreichen der geforderten Emissionsgrenzwerte zu ermöglichen. So ist es Stand der Technik, Katalysatoren direkt nach dem Abgaskrümmer oder Abgasturbolader zu positionieren. Gleichzeitig werden die zur Verfügung stehenden Bauräume für die Abgasnachbehandlungseinrichtungen kleiner bzw. in vorhandene Bauräume müssen zusätzliche Komponenten untergebracht werden. Dies führt zu sehr kompaktbauenden Anlagen mit entsprechend geringen Abständen zu motor- sowie karosseriefesten Bauteilen. Zur Verbesserung der Fahrzeugaerodynamik wird versucht, die Fahrtwind-Durchströmung des Motorraums auf das mögliche Minimum zu reduzieren. Dies alles führt dazu, dass die Bauteile in unmittelbarer Umgebung der Abgasanlage hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind.
Es werden vor dem Hintergrund Isolationsbauteile eingesetzt, die zum einen als Strahlungsschirm wirken und zum anderen die durch Konvektion aufgeheizte Umgebungsluft von den temperaturkritischen Bauteilen fernhalten bzw. umlenken sollen. Diese Isolationsbauteile sind nach dem Stand der Technik als einfache Abschirmbleche (Luftspalt als Isolation; Blech als Strahlungsschirm), Integraldämmungen (anstelle des Luftspalts in der Regel mineralische Fasern als Isolationswerkstoff) oder aktiv belüftete Vollkapselungen ausgeführt, bei denen durch aktive Belüftung des Spaltes eine Wärmeabfuhr durch Konvektion erreicht wird.
Je nach Motoranordnung, Anordnung der Abgasanlage und Motorraumdurchströmung kann es sinnvoll sein, das gesamte Hotend der Abgasanlage, also Abgaskrümmer, ggf. Abgasturbolader, Katalysatoren und Rohrleitungen im Bereich des Motorraumes zu isolieren und aktiv zu belüften, um die Grenztemperaturen umgebener Bauteile nicht zu überschreiten. Dies hätte zur Folge, dass auch die temperaturempfindlichen Sensoren, insbesondere Sauerstoffsensoren (Lambdasonden) sich im Inneren der Isolation, also im Luftspalt befinden. Die Konsequenz wäre ein Überschreiten der maximal zulässigen Bauteiltemperaturen der Sensoren.
Nach dem Stand der Technik werden die Abschirmungen in der Regel im Bereich der Sensoren geöffnet, das heißt mit einer Bohrung versehen, sodass die Sensoren außerhalb des Luftspalts zu liegen kommen. Der entstehende Spalt zwischen dem Sensor und der Bohrung in der Isolation lässt sich aufgrund technologischer. Grenzen (Toleranzen) nicht beliebig reduzieren. Die Folge ist ein Ausströmen der aufgeheizten Luft aus dem Luftspalt in die Umgebung (Motorraum, Kamineffekt). Bei unbelüfteten Abschirmungen, die hauptsächlich als Strahlungsschirm fungieren, stellt dies in der Regel kein Problem dar. Bei aktiv belüfteten Systemen hätte dies aber zur Folge, dass die zugeführte, aufgeheizte Luft nicht an der vorgesehenen Stelle abfließt, sondern teilweise durch die Spalte der Sensoren entweicht. Die Folge wäre eine verminderte Kühlung der stromabwärts der Sensoren befindlichen Bauteile und eine unzulässige Aufheizung der Umgebungsluft (Motorraum).
Aus der DE 101 44 015 A1 und der JP 2004 316 539 A sind Teile von Abgasanlagen bekannt, bei denen im Bereich einer Sensoreinrichtung eine Schweißverbindung zwischen einem Stutzen zur Aufnahme eines Sensors und der Isolierung vorgesehen ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei optimaler Isolation das mit der Isolierung versehenen Teils der Abgasanlage eine Beschädigung des Sensors durch Überhitzung zu verhindern.
Gelöst wird die Aufgabe durch Ausbildung des Teils der Abgasanlage für den Verbrennungsmotor, der gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.
Die Isolierung für die abgasführende Einrichtung ist erfindungsgemäß im Bereich der Sensoreinrichtung zwischen dem Stutzen und dem Sensor geklemmt. Demzufolge ist kein Spalt zwischen dem Sensor und der Isolierung vorhanden, aus dem Kühlluft entweichen kann. Dies macht ein aktiv belüftetes Isolationssystem, welches den Sensorbereich einschließt, möglich, ohne zusätzliche Abdichtmaßnahmen an den Spalten. Überdies sinkt die in den Sensor eingebrachte Wärmemenge, bedingt durch Wärmeleitung durch den Stutzen. Weist die Isolierung überdies Bestandteile auf, die gut wärmeleitend sind, kann über diese die Wärme, ggf. großflächig nach außen und frei abstrahlend abgegeben werden. Von Vorteil ist ferner, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung unter Umständen Anbindungspunkte entfallen können, da im Bereich der Sondeneinrichtung automatisch ein Anbindungspunkt der Isolation an das zu isolierende Bauteil, somit die abgasführende Einrichtung erreicht wird. Zudem befindet sich der eigentliche Sensor aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung außerhalb der heißen Zone. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn ein elektrisch wirksamer Sensor Verwendung findet und somit der empfindliche elektrische Teil des Sensors außerhalb der heißen Zone positioniert ist.
Bei der abgasführenden Einrichtung, in der die Sensoreinrichtung gelagert ist, handelt es sich insbesondere um ein Abgasrohr oder einen Katalysator. Die Sensoreinrichtung kann durchaus auch in einem Guss- oder Schalenbauteil gelagert sein.
Unter Sensor wird im erfindungsgemäßen Sinne auch eine Sonde verstanden. Der Sensor dient insbesondere der Erfassung einer Temperatur, eines Drucks, einer Gaszusammensetzung, eines Volumenstroms und/oder eines Massestroms.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Isolierung mindestens eine Schicht oder mindestens ein Isolierblech auf. Insbesondere weist die Isolierung zwei Isolierschichten oder zwei Isolierbleche auf, die im Bereich der Klemmung aufeinander liegen. Es können durchaus auch eine Isolierung und ein Isolierblech zusammenwirken, das heißt im Bereich der Klemmung aufeinander liegen.
Bevorzugt sind die beiden Isolierschichten oder beiden Isolierbleche in den sich seitlich an die Klemmstelle anschließenden Bereiche im Abstand voneinander angeordnet. Insbesondere ist zwischen den beiden Isolierschichten/beiden Isolierblechen ein Zwischenraum gebildet, der eine Integraldämmung aufweist, vorzugsweise mineralische Fasern als Isolationswerkstoff.
In der nachfolgenden Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Teils einer Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor veranschaulicht, ohne auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt zu sein.
Es zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Teils der Abgasanlage, mit geschnitten dargestellter Isolierung,
2 eine Detaildarstellung der Anordnung gemäß 1 im Klemmbereich von Sensor und Stutzen der Sensoreinrichtung,
3 den in 2 veranschaulichten Bereich für ein zweites Ausführungsbeispiel.
Die 1 und 2 betreffen das erste Ausführungsbeispiel und zeigen einen Teil einer Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor. Dieser Teil der Abgasanlage weist eine als Katalysator 1 ausgebildete abgasführende Einrichtung, eine Isolierung 2 für den Katalysator 1 sowie eine im Bereich der Isolierung 2 im Katalysator 1 gelagerte Sensoreinrichtung 3 auf. Die Sensoreinrichtung 3 weist einen mit der Außenwandung 4 des Katalysators 1 fest verbundenen Stutzen 5 und einen in diesem gehaltenen Sensor 6 auf. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei diesem Sensor 6 um eine Lambdasonde.
Konkret ist der Katalysator 1 halbseitig umgeben von einem inneren Blech 7, das die Funktion eines Strahlungsschirms bzw. Strahlungsreflektors besitzt, sowie einem äußeren Blech 8. Zwischen diesen beiden Blechen 7 und 8 befindet sich ein mineralisches Fasermaterial 9 zur thermischen Isolation. Das äußere Blech 8 dient im Wesentlichen zum Schutz und zur Halterung des Fasermaterials 9. Die beiden Bleche sind in den Bereichen a und b mit dem Katalysator 1, zum Beispiel durch Verschweißen, miteinander verbunden. Der Luftspalt 10 zwischen innerem Blech 7 und Außenwandung 4 des Katalysators 1 wirkt als weitere Isolationsbarriere und kann zusätzlich aktiv belüftet sein.
Der Sensor 3 ist mit einem Außengewinde 11 zum Einschrauben in ein Innengewinde 12 des Stutzens 5 versehen. Hierbei weist der Sensor 6 einen als Sechskantmutter 13 ausgebildeten Abschnitt auf, zum Ansetzen eines Werkzeugs zwecks Eindrehen des Sensors 6 in den Stutzen 5.
Das innere Blech 7 und das äußere Blech 8 verlaufen in Richtung der Sensoreinrichtung 3 konisch zulaufend, wobei unmittelbar benachbart der Sensoreinrichtung 3 das innere Blech 7 am äußeren Blech 8 anliegt und beim Einschrauben des Sensors 6 in den Stutzen 5 die beiden Bleche 7 und 8 in diesem Bereich zwischen der Mutter 13 und dem Stutzen 5 geklemmt werden. Im Bereich c, dort wo die Klemmung stattfindet, ist das Fasermaterial 9 ausgespart. Mittels des Sensors 6 erfolgt somit die Anbindung der Isolierung 2 an den Katalysator 1. Der Stutzen 5 ist in eine, entsprechend dem Querschnitt des Stutzens 5 gestaltete Öffnung der Außenwandung 4 des Katalysators 1 eingesteckt, steht außen über die Außenwandung 4 vor und ist mit der Außenwandung 4 verschweißt. Der Stutzen 5 fungiert als Abstandhalter der Isolierung 2 vom heißen Bauteil der Abgasanlage, somit dem Katalysator 1 und definiert die Auflagefläche der Isolierung 2 bzw. Abschirmung. Durch diese definierte Auflage wird die Kontaktfläche der Isolationsschalen auf ein Mindestmaß begrenzt.
Die Anordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel und überdies die grundsätzliche erfindungsgemäße Lösung bietet folgende Vorteile:

1. Es gibt keinen Spalt, aus dem die Spülluft entweichen kann. Dieses ermöglicht ein aktiv belüftetes Isolationssystem, welches den Sensorbereich einschließt, ohne zusätzliche Abdichtmaßnahmen an den Spalten.
2. Die in den Sensor eingebrachte Wärmemenge, bedingt durch Wärmeleitung durch den Stutzen, sinkt, da ein Teil dieser Wärme in das großflächige und nach außen frei abstrahlende Abschirmblech transportiert wird.
3. Es können unter Umständen Anbindungspunkte entfallen, da im Bereich des Sensors automatisch ein Anbindungspunkt der Isolation an das zu isolierende Bauteil, vorliegend den Katalysator, erreicht wird.
4. Ein empfindlicher elektrischer Teil des Sensors befindet sich außerhalb der heißen Zone, das heißt außerhalb des Luftspalts.

Durch das große Temperaturdelta und die resultierende unterschiedliche Wärmeausdehnung von Isolation und Abgasanlage kommt es zu Spannungen in den Bauteilen. Erhöhte Spannungen können durch geeignete Gestaltung der Isolation, das heißt weiche Ausbildung in Wärmedehnungsrichtung verhindert werden.
Bei der Auslegung der Sensorverschraubung ist zudem das Fließverhalten des Abschirmmaterials zu berücksichtigen, um ein Lösen des Sensors durch Setzverhalten zu vermeiden. Da Sensorgehäuse in der Regel aus Edelstahl bestehen, ist eine Verwendung von Edelstahlblechen bevorzugt. Bei Verwendung von Aluminium-Blechen sind neben Maßnahmen, die das Setzverhalten berücksichtigen, auch Maßnahmen zur Vermeidung von Kontaktkorrosion vorzusehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind Bauteile, die mit denen des Ausführungsbeispiels nach 2 übereinstimmen, der Einfachheit halber mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach der 3 befinden sich zusätzlich zwei wärmeisolierende Scheiben 14 zwischen innerem Blech 7 und Stutzen 5 einerseits und zwischen Blech 8 und Mutter 13 des Sensors 6 anderseits. Auf diese Weise wird der durch Wärmeleitung verursachte direkte Wärmeeintrag in die Isolationsbleche – Bleche 7 und 8 – und den Sensor 6 – Lambdasonde – erheblich reduziert bzw. unterbunden. Die Isolationsscheiben sind vorzugsweise aus mineralischen, gepressten Fasern auszuführen, zum Beispiel Glimmer oder Mikanit. Es ist besonders auf das Setzverhalten dieser Scheiben 14 zu achten, um ein Lösen des in den Stutzen 5 eingebauten Sensors 6 zu verhindern.
Bezugszeichenliste

1: Abgasführende Einrichtung/Katalysator
2: Isolierung
3: Sensoreinrichtung
4: Außenwandung
5: Stutzen
6: Sensor
7: Inneres Blech
8: Äußeres Blech
9: Fasermaterial
10: Luftspalt
11: Außengewinde
12: Innengewinde
13: Mutter
14: Scheibe
a: Bereich
b: Bereich
c: Bereich

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 10144015 A1 [0006]
JP 2004316539 A [0006]

Claims

Teil einer Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, mit einer abgasführenden Einrichtung (1) und eine Isolierung (2) für diese Einrichtung (1) sowie einer im Bereich der Isolierung (2) in der Einrichtung (1) gelagerten Sensoreinrichtung (3), wobei die Sensoreinrichtung (3) einen mit einer Außenwandung (4) der Einrichtung (1) fest verbundenen Stutzen (5) und einen in diesem gehaltenen Sensor (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (2) im Bereich der Sensoreinrichtung (3) zwischen dem Stutzen (5) und dem Sensor (6) geklemmt ist.
Teil einer Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgasführende Einrichtung (1) als Abgasrohr, Katalysator (1), Guss- oder Schalenbauteil ausgebildet ist.
Teil einer Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (6) der Erfassung einer Temperatur, eines Drucks, einer Gaszusammensetzung, eines Volumenstroms und/oder eines Massestroms dient.
Teil einer Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der abgasführenden Einrichtung (1) und der Isolierung (2) ein Luftspalt (10) gebildet ist.
Teil einer Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Isolierung bildender Isolationswerkstoff (9) weich ist.
Teil einer Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (2) mindestens eine Isolierschicht oder mindestens ein Isolierblech (7, 8) aufweist.
Teil einer Abgasanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (2) zwei Isolierschichten oder zwei Isolierbleche (7, 8) aufweist, die im Bereich der Klemmung aufeinanderliegen.
Teil einer Abgasanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Isolierschichten oder die beiden Isolierbleche (7, 8), in den sich seitlich an die Klemmstelle anschließenden Bereichen in Abstand voneinander angeordnet sind.
Teil einer Abgasanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich, in dem die beiden Isolierschichten oder beiden Isolierbleche (7, 8) in Abstand voneinander angeordnet sind, ein Isolationsluftspalt gebildet ist oder ein Isolationswerkstoff (9) angeordnet ist.
Teil einer Abgasanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein in den Stutzen (5) eingeschraubtes Sensorgehäuse des Sensors (6) und das Isolierblech (7, 8) aus Edelstahl bestehen.
Teil einer Abgasanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Isolierblechen (7, 8) und dem Stutzen (5) und/oder dem Isolierblechen (7, 8) und dem Sensor (6) eine Scheibe (14) aus wärmeisolierendem Material angeordnet ist, insbesondere eine aus mineralischen gepressten Fasern bestehende Scheibe (14) angeordnet ist.