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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlagenkomponente einer Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
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Abgasanlagenkomponenten sind bspw. Schalldämpfer, Katalysatoren, Partikelfilter, SCR-Anlagen, NOX-Speichersysteme sowie beliebige Kombinationen daraus. Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs von Kraftfahrzeugen wird versucht, das Gewicht des Kraftfahrzeugs zu reduzieren. Dies kann bspw. dadurch erfolgen, dass anstelle von Eisenmetallen Leichtmetalle und/oder dass anstelle von Metallen Kunststoffe verwendet werden, um Komponenten des Fahrzeugs herzustellen, die sich durch ein niedriges Gewicht auszeichnen. Da Kunststoffe gegenüber Metallen eine niedrige Temperaturbeständigkeit aufweisen, ist die Verwendung von Kunststoffen im Bereich einer Abgasanlage mit hohen Schwierigkeiten verbunden.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Abgasanlagenkomponente einen Weg aufzuzeigen, diese zumindest teilweise aus Kunststoff herstellen zu können.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Abgasanlagenkomponente einen Bestandteil, der nicht unmittelbar von heißen Abgasen beaufschlagt wird, aus Kunststoff zu fertigen und über einen metallischen Bestandteil, der ebenfalls nicht unmittelbar vom Abgas beaufschlagt ist, an einem metallischen Bestandteil zu befestigen, das nun unmittelbar vom Abgas beaufschlagt sein kann. Über diese indirekte Verbindung des Kunststoffbauteils über ein thermisch wenig belastetes Metallbauteil mit dem thermisch höher belasteten Metallbauteil, kann die Wärmeübertragung in das Kunststoffbauteil signifikant reduziert werden. Die thermische Belastung des Kunststoffbauteils bleibt dadurch innerhalb der thermischen Belastungsgrenzen des Kunststoffbauteils, wodurch die erwünschte Dauerfestigkeit für die Abgasanlagenkomponente in Hybridbauweise erzielbar ist.
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Konkret wird vorgeschlagen, die Abgasanlagenkomponente mit zumindest einem Innenrohr aus Metall, mit einem Gehäuse aus Kunststoff und mit mindestens einem Außenrohr aus Metall auszustatten. Das Innenrohr ist im Betrieb der Abgasanlage Abgas ausgesetzt. Insbesondere dient es zur Abgasführung. Das Gehäuse umschließt einen Arbeitsraum. Das Außenrohr ist in einem ersten Endbereich am Innenrohr befestigt und in einem zweiten Endbereich fest mit dem Gehäuse verbunden. Ferner ist zwischen den Endbereichen des Außenrohrs ein Radial zwischen Innenraum und Außenrohr ausgebildeter Ringraum vorgesehen. Durch diese Bauweise wird ein direkter Kontakt zwischen Gehäuse und Innenrohr vermieden, was die thermische Belastung des Gehäuses reduziert. Die Anordnung des Außenrohrs am Innenrohr, derart, dass sich ein Ringraum ausbildet, führt zu einer sog. Luftspaltisolation zwischen Außenrohr und Innenrohr, was die thermische Belastung des Außenrohrs erheblich reduziert. Dementsprechend ist das Außenrohr im Vergleich zum Innenrohr deutlich kühler, was den Wärmeeintrag in das Gehäuse reduziert.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Gehäuse an das Außenrohr angespritzt sein. Durch Anspritzen des Kunststoffs an das Außenrohr lässt sich der zweite Endbereich des Anschlussrohrs in den Kunststoff des Gehäuses einbetten, wodurch insbesondere ein intensiver Formschluss realisierbar ist. Das Anspritzen des Kunststoffbauteils an das Metallbauteil führt außerdem zwangsläufig zu einer effektiven Abdichtung, ohne dass zusätzliche Dichtungselemente verwendet werden müssen.
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Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei welcher am zweiten Endbereich des Außenrohrs Anspritzkonturen integral ausgeformt sind, die eine formschlüssige Verbindung mit dem angespritzten Gehäuse bilden. Bspw. können diese Anspritzkonturen Durchbrüche und/oder Hinterschnitte aufweisen, die eine intensive Verankerung des zweiten Endbereichs im Kunststoff des Gehäuses ermöglichen. Die Anspritzkonturen können bspw. lappenartig oder laschenartig und insbesondere mehrgliedrig konfiguriert sein. Ebenso können mehrere Anspritzkonturen in der Umfangsrichtung des Außenrohrs verteilt angeordnet sein.
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Das Außenrohr kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform in der Umfangsrichtung oder in der Längsrichtung ein gewelltes Profil aufweisen, das für eine größere Oberfläche des Außenrohrs sorgt und somit eine bessere Wärmeabstrahlung in die Umgebung des Außenrohrs ermöglicht. Auf diese Weise kann die Wärmeübertragung vom Innenrohr über das Außenrohr auf das Gehäuse reduziert werden.
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Zusätzlich oder alternativ kann das Außenrohr an seiner Außenseite eine passive Kühlstruktur aufweisen, die ebenfalls zu einer vergrößerten Oberfläche des Außenrohrs sorgt und dementsprechend die Wärmeabgabe an die Umgebung unterstützt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Kühlstruktur mehrere ringscheibenförmige Kühlrippen aufweisen. Derartige Kühlrippen können einzeln an das Außenrohr angeschweißt oder angelötet werden. Ebenso kann ein Kühlerblock, der mehrere derartige ringscheibenförmige Kühlrippen aufweist, von außen auf das Außenrohr aufgesteckt und damit verbunden werden. Ferner ist es möglich, die Kühlstruktur so auszugestalten, dass sie zumindest eine das Außenrohr schraubenförmig umwickelte Kühlwendel aufweist. Auch die Kühlwendel kann an das Außenrohr angeschweißt oder angelötet sein.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann im Ringspalt ein thermisch isolierendes Isolationsmaterial angeordnet sein, um die thermische Belastung des Außenrohrs weiter zu reduzieren.
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Eine weitere Ausführungsform schlägt vor, zwischen dem Gehäuse und dem Innenrohr einen Schiebesitz auszubilden, sodass zwar eine Abstützung zwischen Gehäuse und Innenrohr erfolgen kann, jedoch weiterhin Relativbewegungen zwischen Gehäuse und Innenrohr möglich sind, bspw. um thermisch bedingte Dehnungen ohne Verspannungen zu ermöglichen. Besonders zweckmäßig ist dabei eine Ausführungsform, bei welcher das Gehäuse ein Gleitlager trägt, über welches die Abstützung zwischen Gehäuse und Innenrohr erfolgt, sodass kein unmittelbarer Kontakt zwischen Gehäuse und Innenrohr vorliegt. Ein derartiges Gleitlager kann bspw. mittels Teflon oder mittels PEEK oder mittels Polyimid oder mittels eines Drahtgestricks realisiert werden. Ebenso sind Kombinationen der vorstehenden Materialien denkbar.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Abgasanlagenkomponente so konzipiert sein, dass das Gehäuse ausschließlich über ein einziges solches Außenrohr am Innenrohr gehalten ist. In diesem Fall ist das Innenrohr im Betrieb der Abgasanlage vom Abgas nicht durchströmt, sondern dient zum Anschließen der Abgasanlagenkomponente an ein Abgasrohr der Abgasanlagenkomponente, das im Betrieb der Abgasanlage vom Abgas durchströmt ist. Der Arbeitsraum des Gehäuses ist somit ebenfalls nicht vom Abgas durchströmt, sondern befindet sich im Nebenschluss zum Abgasstrom. Das Anschließen des Innenrohrs an das Abgasrohr kann dabei direkt oder indirekt über ein entsprechendes Anschlussstück erfolgen, wobei das Anschlussstück insbesondere als Y-Rohr und/oder zweischalig konzipiert sein kann.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Abgasanlagenkomponente ein aktiver Schalldämpfer sein, der über das Innenrohr akustisch an die Abgasanlage angeschlossen ist. Im Arbeitsraum ist dann ein Lautsprecher des aktiven Schalldämpfers angeordnet, wobei der Arbeitsraum außerdem einen Vorraum sowie einen Rückraum für den Lautsprecher bilden kann. Das Innenrohr dient zur akustischen Kopplung und ist dabei vom Abgas der Abgasanlage nicht durchströmt, da der aktive Schalldämpfer im Nebenschluss an das vom Abgas durchströmte Abgasrohr der Abgasanlage angeschlossen ist. Alternativ kann die Abgasanlagenkomponente ein Helmholtz-Resonator sein, der über das Innenrohr akustisch an die Abgasanlage angeschlossen ist. In diesem Fall bildet der Arbeitsraum den Resonanzraum des Helmholtz-Resonators, während das Innenrohr den Resonatorhals des Helmholtz-Resonators bildet. Auch ein derartiger Helmholtz-Resonator wird üblicherweise im Nebenschluss an das vom Abgas durchströmte Abgasrohr angeschlossen.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann das Gehäuse über zwei derartige Außenrohre am Innenrohr gehalten sein. In diesem Fall ist insbesondere eine Ausführungsform möglich, bei welcher das Innenrohr im Betrieb der Abgasanlage vom Abgas durchströmt ist. Bspw. kann es sich bei der Abgasanlagenkomponente dann um einen passiven Schalldämpfer handeln, wobei in diesem Fall das Innenrohr perforiert sein kann und/oder unterbrochen sein kann. Über die Perforation bzw. Unterbrechung des Innenrohrs erfolgt die akustische Kopplung zwischen dem Abgasstrom und dem Arbeitsraum des Gehäuses. Der Arbeitsraum kann dabei als Absorptionsraum und/oder als Reflexionsraum und/oder als Expansionsraum und/oder als Resonanzraum dienen, je nach Art und Ausgestaltung des Schalldämpfers. Sofern der Arbeitsraum als Absorptionsraum dient, kann er insbesondere auch mit einem Absorptionsmaterial befüllt sein.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform können Befestigungsstellen, mit deren Hilfe die Abgasanlagenkomponente an einer Tragstruktur, insbesondere an einem Aufbau des Fahrzeugs, befestigt werden kann, am Außenrohr angeordnet sein. Üblicherweise sind derartige Befestigungsstellen am Gehäuse ausgebildet. Bei der hier vorgestellten hybriden Abgasanlagenkomponente wird jedoch die Anordnung derartiger Befestigungsstellen am metallischen Außenrohr bevorzugt, um die mechanische Belastung des Gehäuses zu reduzieren.
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Insbesondere kann hierzu am jeweiligen Außenrohr zumindest ein Befestigungselement einer Befestigungseinrichtung angeordnet sein, mit deren Hilfe die Abgasanlagenkomponente an einer Tragstruktur befestigbar ist. Das jeweilige Befestigungselement kann dabei an das Außenrohr angeschweißt oder angelötet sein. Das Befestigungselement kann eine Lasche, eine Konsole oder ein Winkel sein. Die Tragstruktur ist zweckmäßig ein Fahrzeugaufbau oder ein Unterboden des Fahrzeugs. Insbesondere erfolgt die Befestigung der Abgasanlagenkomponente an der Tragstruktur ausschließlich über das Außenrohr, wodurch das Gehäuse mechanisch entlastet ist.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 ein Längsschnitt durch einen Teil einer Abgasanlagenkomponente,
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2 eine Axialansicht der Abgasanlagenkomponente entsprechend einer Blickrichtung II in 1,
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3 ein Längsschnitt durch eine andere Abgasanlagenkomponente, in einem anderen Bereich,
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4 eine Axialansicht der Abgasanlagenkomponente entsprechend einer Blickrichtung IV in 3,
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5 ein halber Längsschnitt durch eine Abgasanlagenkomponente im Bereich eines Außenrohrs,
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6 ein halber Längsschnitt wie in 5, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
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7 ein Querschnitt der Abgasanlagenkomponente entsprechend Schnittlinien VII in 6,
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8 und 9 jeweils einen halben Längsschnitt der Abgasanlagenkomponente im Bereich eines Außenrohrs bei verschiedenen Ausführungsformen,
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10 eine Seitenansicht einer Abgasanlagenkomponente bei einer weiteren Ausführungsform,
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11 und 12 stark vereinfachte Längsschnitte einer Abgasanlage im Bereich einer Abgasanlagenkomponente bei verschiedenen Ausführungsformen.
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Entsprechend den 1 bis 12 umfasst eine Abgasanlagenkomponente 1, die zum Einbau in eine nur in den 11 und 12 zum Teil dargestellte Abgasanlage 2 einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen ist, zumindest ein Innenrohr 3, zumindest ein Gehäuse 4 und zumindest ein Außenrohr 5. Das Innenrohr 3 ist aus Metall hergestellt und ist im Betrieb der Abgasanlage 2 Abgas der Brennkraftmaschine ausgesetzt. Dabei muss das Innenrohr 3 nicht zwingend vom Abgas durchströmt sein. Das Gehäuse 4 ist aus einem Kunststoff hergestellt und umschließt einen Arbeitsraum 6. Das Außenrohr 5 ist wieder aus Metall hergestellt und ist in einem ersten Endbereich 7 am Innenrohr 3 befestigt, z. B. mittels einer Schweißverbindung 8. Das Außenrohr 5 ist in einem vom ersten Endbereich 7 entfernten zweiten Endbereich 9 fest mit dem Gehäuse 4 verbunden. Ferner ist das Außenrohr 5 bzgl. des Innenrohrs 3 so angeordnet bzw. dimensioniert, dass es zwischen seinen Endbereichen 7, 9 einen radial zwischen Innenrohr 3 und Außenrohr 5 ausgebildeten Ringraum 10 in der Umfangsrichtung umschließt. Dieser Ringraum 10 schafft eine Luftspaltisolation zwischen Innenrohr 3 und Außenrohr 5.
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Die relativen Richtungsangaben, wie „Umfangsrichtung” und „radial” bzw. „axial”, beziehen sich in vorliegendem Zusammenhang dabei auf eine Längsmittelachse 15 des Innenrohrs 3.
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Bei den Ausführungsformen der 1 bis 12 ist das Gehäuse 4 bzgl. des Innenrohrs 3 kontaktlos angeordnet, sodass das Gehäuse 4 ausschließlich über das Außenrohr 5 mit dem Innenrohr 3 verbunden ist.
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Zweckmäßig ist das Gehäuse 4 an das Außenrohr 5 angespritzt, wodurch der zweite Endbereich 9 in den Kunststoff des Gehäuses 4 eingebettet ist. Insbesondere kann somit der Kunststoff des Gehäuses 4 den zweiten Endbereich 9 des Außenrohrs 5 beidseitig umfassen, also radial innen und außen.
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Am zweiten Endbereich 9 des Außenrohrs 5 sind zweckmäßig Anspritzkonturen 11 integral ausgeformt, die so konzipiert sind, dass sie eine formschlüssige Verbindung mit dem angespritzten Gehäuse 4 bilden. Die Anspritzkonturen 11 können bspw. mehrere in der Umfangsrichtung verteilt angeordnete Laschen 12 sein, die gemäß 2 eingliedrig oder gemäß 4 mehrgliedrig sein können. In den Anspritzkonturen 11 können Durchbrüche 13 ausgebildet sein, die vom angespritzten Kunststoff durchsetzt sind. Die Anspritzkonturen 11 können gemäß 3 gestuft sein, um Hinterschnitte 14 auszuformen, die vom Kunststoff formschlüssig umschlossen sind.
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Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform weist das Außenrohr 5 ein in der Längsrichtung gewelltes Profil auf, wodurch das Außenrohr 5 balgartig ausgestaltet ist. Bei der in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsform weist das Außenrohr 5 in der Umfangsrichtung ein gewelltes Profil auf. Das jeweilige Wellprofil des Außenrohrs 5 vergrößert die Oberfläche des Außenrohrs 5, was die Wärmeabgabe vom Außenrohr 5 an die Umgebung begünstigt.
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Bei den Ausführungsformen der 8 bis 11 ist das Außenrohr 5 an seiner Außenseite mit einer passiven Kühlstruktur 16 ausgestattet, um die Wärmeabgabe an die Umgebung zu verbessern. Entsprechend 8 kann die Kühlstruktur 16 bspw. mehrere ringscheibenförmige Kühlrippen 17 aufweisen, die insbesondere einzeln an das Außenrohr 5 angeschweißt oder angelötet sein können. Bei der in 9 gezeigten Ausführungsform umfasst die Kühlstruktur 16 zumindest eine Kühlwendel 18, die das Außenrohr 5 schraubenförmig umwickelt. Auch die Kühlwendel 18 ist zweckmäßig an das Außenrohr 5 angeschweißt oder daran angelötet.
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Bei der in 12 gezeigten Ausführungsform ist in den Ringspalt 10 ein thermisch isolierendes Isolationsmaterial 19 eingebracht, um die Wärmeübertragung vom Innenrohr 3 auf das Außenrohr 5 zu reduzieren. Ferner ist bei der in 12 gezeigten Ausführungsform ein Schiebesitz 20 zwischen dem Gehäuse 4 und dem Innenrohr 3 ausgebildet, sodass eine direkte oder indirekte Abstützung zwischen Gehäuse 4 und Innenrohr 3 stattfinden kann. Zweckmäßig ist dabei jedoch zur Realisierung des Schiebesitzes 20 ein Gleitlager 21 vorgesehen, das insbesondere vom Gehäuse 4 getragen ist. Das Gleitlager 21 kann bspw. beim Spritzformen des Gehäuses 4 in Form eines in die Spritzform eingesetzten Einsatzes realisiert werden, der beim Spritzformen des Gehäuses 4 in das Gehäuse 4 formintegriert wird. Das Gleitlager 21 kann bspw. aus Teflon, PEEK, Polyimid, Drahtgestrick gebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann gemäß 12 außerdem ein Radiallager 22 vorgesehen sein, welches eine radiale Abstützung zwischen Innenrohr 3 und Außenrohr 5 ermöglicht. Auch dieses Radiallager 22 kann aus Teflon oder PEEK oder Polyimid oder Drahtgestrick hergestellt sein. Auch hier ist es möglich, das Radiallager 22 beim Spritzformen des Gehäuses 4 bereits in Form eines Einsatzes in der Spritzform zu berücksichtigen.
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Bei den Ausführungsformen der 11 und 12 ist das Gehäuse 4 ausschließlich über ein einziges Außenrohr 5 am Innenrohr 3 gehalten. Das Innenrohr 3 ist bei diesen Ausführungsformen im Betrieb der Abgasanlage 2 nicht vom Abgas durchströmt. Ein Abgasstrom ist in den 11 und 12 durch einen Pfeil 23 angedeutet. Das Innenrohr 3 ist an ein Abgasrohr 24 der Abgasanlage 2 angeschlossen, das im Betrieb der Abgasanlage 2 vom Abgas durchströmt ist. Bei der in 11 gezeigten Ausführungsform erfolgt der Anschluss des Innenrohrs 3 an das Abgasrohr 24 unmittelbar. Bei der in 12 gezeigten Ausführungsform ist ein Anschlussstück 25 vorgesehen, über welches das Innenrohr 3 an das Abgasrohr 24 angeschlossen ist. Das Anschlussstück 25 ist im Beispiel der 12 als Y-Rohr und zweischalig konzipiert.
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Bei der Abgasanlagenkomponente 1 kann es sich bspw. um einen aktiven Schalldämpfer handeln, der im Folgenden auch mit 1 bezeichnet werden kann und der über das Innenrohr 3 an die Abgasanlage 2 akustisch angeschlossen ist. Gemäß 11 kann der aktive Schalldämpfer 1 im Arbeitsraum 6 des Gehäuses 4 einen Lautsprecher 26 enthalten, wobei im Arbeitsraum 6 außerdem ein Vorraum 27 und ein Rückraum 28 des Lautsprechers 26 enthalten sind. Das Innenrohr 3 ist hierbei nicht durchströmt, sondern ermöglicht die akustische Kopplung zwischen Schalldämpfer 26 und Abgasrohr 24.
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Alternativ kann die Abgasanlagenkomponente 1 auch ein Helmholtz-Resonator sein, der im Folgenden ebenfalls mit 1 bezeichnet werden kann und der über das Innenrohr 3 akustisch an die Abgasanlage 2 angeschlossen ist. Entsprechend 12 bildet der Arbeitsraum 6 des Gehäuses 4 dann einen Resonanzraum des Helmholtz-Resonators 1. Das Innenrohr 3 bildet dann einen Resonatorhals des Helmholtz-Resonators 1. Auch hier ist das Innenrohr 3 nicht vom Abgas durchströmt, sondern ermöglicht die Schwingungskopplung zwischen Resonanzraum 6 und Abgasrohr 24.
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Bei der in 10 gezeigten Ausführungsform ist das Gehäuse 4 über zwei Außenrohre 5 am Innenrohr 3 gehalten. In diesem Fall kann das Innenrohr 3 im Betrieb der Abgasanlage 2 vom Abgas durchströmt sein. Eine entsprechende Abgasströmung ist auch in 10 durch einen Pfeil 23 angedeutet. Zweckmäßig kann die Abgasanlagenkomponente 1 in einem derartigen Fall als passiver Schalldämpfer ausgestaltet sein. Das Innenrohr 3 ist dabei innerhalb des Gehäuses 4 bspw. mit einer Unterbrechung 29 und/oder mit einer Perforation 30 versehen, wodurch eine akustische Kopplung zwischen dem Inneren des Innenrohrs 3 und dem Arbeitsraum 6 des Gehäuses 4 ermöglicht ist. Der Arbeitsraum 6 kann dabei als Absorptionsraum und/oder als Reflexionsraum und/oder als Expansionsraum und/oder als Resonanzraum dienen. Insbesondere kann der Arbeitsraum 6 mit einem Absorptionsmaterial befüllt sein.
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Gemäß den 1 und 2 kann bei einer bevorzugten Ausführungsform am jeweiligen Außenrohr 5 zumindest ein Befestigungselement 31 einer Befestigungseinrichtung 32 befestigt sein, mit dessen Hilfe die Abgasanlagenkomponente 1 an einer hier nicht gezeigten Tragstruktur befestigt werden kann. Bspw. ist das Befestigungselement 31 hier in Form einer Lasche ausgestaltet, die mittels einer Schweißverbindung 33 am Außenrohr 5 fixiert sein kann. Über die Lasche 31 lässt sich bspw. eine Verschraubung der Abgasanlagenkomponente 1 mit der Tragstruktur realisieren. Die Tragstruktur kann bspw. ein Fahrzeugaufbau, insbesondere ein Unterboden, des Fahrzeugs sein. Zweckmäßig ist die Abgasanlagenkomponente 1 ausschließlich über derartige Befestigungselemente 31 an der jeweiligen Tragstruktur fixiert, die am Außenrohr 5 angebracht sind, sodass insbesondere eine zusätzliche mechanische Belastung des Gehäuses 4 vermieden werden kann.
