DE102012205496A1

DE102012205496A1 - Thermisch isoliertes Leitungselement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102012205496A1
Application number: DE201210205496
Authority: DE
Inventors: Thomas Kunzmann; Sebastian Reuß
Original assignee: Witzenmann GmbH
Current assignee: Witzenmann GmbH
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2013-10-10

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Leitungselement (1) mit wenigstens zwei konzentrisch gefügten Lagen (2, 3) aus einem metallischen Werkstoff als Entkoppelelement für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Das Leitungselement (1) zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen den Lagen (2, 3) eine thermisch isolierende Befüllung (4) mit einem partikulären Material angeordnet ist. Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung eines Leitungselements (1) der genannten Art vorgeschlagen, welches sich dadurch auszeichnet, dass zunächst die Lagen (2, 3) konzentrisch zu einer Lagenanordnung gefügt werden, wobei zwischen den Lagen (2, 3) ein Freiraum verbleibt; dann der Freiraum von wenigstens einem offenen Befüllende der Anordnung her zumindest teilweise mit einem thermisch isolierenden partikulären Material befüllt (4) wird; und schließlich zumindest das Befüllende verschlossen wird, vorzugsweise stoffschlüssig.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leitungselement mit wenigstens zwei konzentrisch gefügten Lagen aus einem metallischen Werkstoff als Entkoppelelement für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Leitungselements mit wenigstens zwei konzentrisch gefügten Lagen aus einem metallischen Werkstoff als Entkoppelelement für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Als Schwingungsentkoppelelemente (oder kurz: Entkoppelelemente, EKE,) insbesondere für die Abgasanlage von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, kommen heutzutage regelmäßig Bälge oder Wellschläuche aus Metall zur Einsatz, die je nach Anforderungsprofil ein- oder mehrlagig ausgebildet sein können. Derartige Entkoppelelemente dienen einerseits zur Entkopplung der motorseitigen Schwingungen vom restlichen Abgasstrang und können andererseits auch im Bereich von Abgasrückführleitungen (Exhaust Gas Recovery, EGR) eingesetzt werden. Insbesondere im ersten Fall dienen die eingesetzten Entkoppelelemente dazu, das sogenannte Hot End (heißes Ende des Abgasstrangs in der Nähe des Motors) vom sogenannten Cold End (kaltes Ende) zu entkoppeln.
Zur Erfüllung zukünftiger Abgasnormen (EU6) ist es wichtig, den Schadstoffgehalt im Abgas auf die geforderten Werte zu reduzieren. Hierzu ist es erforderlich, die an sich bekannten Prozesse der Abgasreinigung optimal zu nutzen. Eine wesentliche Grundvoraussetzung hierfür ist die sofortige Wärmebereitstellung an den in den Abgasstrang integrierten Katalysatoren. Heutzutage bekannte Abgasanlagen weisen jedoch auf der Strecke vom Ausgang des Motors bis zum Katalysator einen zu großen Wärmeverlust des Abgases auf, welcher im Wesentlichen durch Abstrahlung im Bereich der eingesetzten Leitungselemente zu Stande kommt. Dies hat zur Folge, dass die volle Wirksamkeit der Abgasreinigung zeitlich erst verzögert einsetzt. Dies wiederum führt dazu, dass die Abgaswerte zu Beginn des Betriebs eines Verbrennungsmotors zu hoch liegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leitungselement der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches sich für den Einsatz in der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor eignet und welches den auftretenden Wärmeverlust reduziert, so dass bereits beim Start des Motors die betreffenden Abgasnormen erfüllt werden.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Leitungselements mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mittels eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Leitungselements mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen, deren Wortlaut hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird, um Textwiederholungen zu vermeiden.
Erfindungsgemäß ist ein Leitungselement mit wenigstens zwei konzentrisch gefügten Lagen aus einem metallischen Werkstoff als Entkoppelelement für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Lagen eine thermisch isolierende Befüllung mit einem partikulären Material angeordnet ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Leitungselements mit wenigstens zwei konzentrisch gefügten Lagen aus einem metallischen Werkstoff als Entkoppelelement für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor zeichnet sich dadurch aus, dass a) zunächst die Lagen konzentrisch zu einer Lagenanordnung gefügt werden, wobei zwischen den Lagen ein Freiraum verbleibt; b) dann der Freiraum von wenigstens einem offenen Befüllende der Anordnung her zumindest teilweise mit einem thermisch isolierenden partikulären Material befüllt wird; und c) schließlich zumindest das Befüllende verschlossen wird, vorzugsweise stoffschlüssig.
Um das Leitungselement (Entkoppelelement) gegen Wärmeverlust zu isolieren, wird demnach erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Leitungselement wenigstens zweilagig auszubilden und den zwischen den Lagen vorhandenen Freiraum zumindest teilweise mit einem thermisch isolierenden partikulären Material zu befüllen. Die isolierende Befüllung führt zu einem verzögerten Wärmeübergang von der metallischen Innenlage auf die metallische Außenlage des Leitungselements, so dass der Wärmeverlust nach außen, insbesondere durch Abstrahlung, deutlich reduziert ist. Dem heißen Abgasstrom wird somit insbesondere zu Betriebsbeginn deutlich weniger Wärme entzogen, und die im Abgasstrang vorhandenen Katalysatoren können bereits frühzeitig ihre volle Wirksamkeit entfalten.
Eine erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungselements sieht vor, dass das partikuläre Material ein Granulat oder etwa kugelförmige Partikel umfasst. Dabei kann es sich bei den kugelförmigen Partikeln insbesondere um Glaskugeln oder um Keramikkugeln handeln, welche jeweils vorzugsweise als Hohlkugeln ausgebildet sind. Die isolierende Wirkung wird somit durch die Wahl des partikulären Materials als auch durch den zusätzlichen Einschluss von Gas bzw. Luft noch erhöht.
Im Allgemeinen hat es sich als äußerst vorteilhaft erwiesen, wenn das partikuläre Material an sich thermisch isolierende Eigenschaften aufweist.
Eine wieder andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungselements sieht vor, dass zwischen den Lagen zusätzlich wenigstens eine Paste oder ein Bindemittel angeordnet ist, welche Paste bzw. welches Bindemittel mit dem partikulären Material in Wirkverbindung steht. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die genannte Paste bzw. das Bindemittel das partikuläre Material selbst enthält. Vorzugsweise ist die Paste bzw. das Bindemittel temperaturbeständig ausgebildet, um der hohen Temperaturbelastung beim Einsatz in der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs zu widerstehen, wo die Abgastemperaturen durchaus im Bereich von 1.000°C liegen können.
Unter dem Begriff „Paste“ und „Bindemittel“ wird vorliegend ein Feststoff-Flüssigkeitsgemisch nach Art einer Suspension mit einem hohen Gehalt an Festkörpern verstanden. Die verwendete Paste ist dabei regelmäßig nicht fließfähig sondern streichfest. Die Paste bzw. das Bindemittel kann insbesondere dazu verwendet werden, die inhärenten Gleit- und Schmiereigenschaften der partikulären Befüllung zwischen den Lagen des Leitungselements zu optimieren.
Außerdem bewirkt die Paste bzw. das Bindemittel, dass das partikuläre Material zwischen den Lagen des Leitungselements relativ ortsfest lokalisiert bleibt und nicht relativ frei zwischen den Lagen hin und her „fließt“.
Alternativ zu der vorgenannten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitungselements ist jedoch auch eine Befüllung des Lagenzwischenraums mit vollständig losen Partikeln möglich. Es liegt darüber hinaus im Rahmen der Erfindung, beispielsweise die Innenlage vor dem Fügen der mehrlagigen Anordnung mit einer Paste, welche das thermisch isolierende partikuläre Material enthält, zu bestreichen und dann nach dem Fügen einen möglicherweise noch verbleibenden Freiraum zwischen Innenlage und Außenlage zusätzlich mit losem partikulärem Material aufzufüllen.
Es hat sich mit Blick auf die beabsichtigte Verwendung des erfindungsgemäßen Leitungselements als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Abstand zwischen den Lagen etwa 0,5 bis 1,5 mm beträgt. Vorzugsweise liegt der genannte Abstand etwa zwischen 0,8 und 1,2 mm und beträgt höchst vorzugsweise etwa 1 mm.
Darüber hinaus hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Dicke der einzelnen Lagen etwa 0,1 bis 0,5 mm beträgt. Vorzugsweise liegen die genannten Dicken etwa zwischen 0,15 und 0,4 mm, höchst vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,35 mm.
Wie bereits angesprochen, sieht eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungselements vor, dass das Leitungselement zumindest abschnittweise gewellt ausgebildet ist, vorzugsweise nach Art eines Balgs. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das partikuläre Material zumindest teilweise in den gewellten Abschnitten des Leitungselements angeordnet ist.
Die einzelnen Partikel in dem partikulären Material können eine Größe im Mikrometerbereich aufweisen. Vorzugsweise liegt die genannte Größe etwa zwischen 1 und 100 µm, höchst vorzugsweise etwa zwischen 10 und 50 µm.
Eine erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die durch konzentrisches Fügen der beiden Lagen erzeugte Lagenanordnung nach dem Befüllen mit dem thermisch isolierenden partikulären Material umgeformt wird. Vorzugsweise erfolgt das Umformen im Anschluss an den Verfahrensschritt c), d.h. nach dem zumindest das Befüllende verschlossen wurde. Vorzugsweise wird durch das Umformen, insbesondere Pressen, ein zumindest abschnittweise gewelltes Leitungselement erzeugt, höchst vorzugsweise nach Art eines Balgs.
Eine wieder andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass vor dem Fügen zumindest die innere der beiden Lagen auf ihre Außenseite mit wenigstens einer Paste oder einem Bindemittel versehen („bepastet“) wird. Hierauf wurde weiter oben bereits hingewiesen. Vorzugsweise handelt es sich bei der genannten Paste bzw. bei dem genannten Bindemittel um eine temperaturbeständige Paste bzw. ein temperaturbeständiges Bindemittel. Die genannte Paste bzw. das genannte Bindemittel kann vorzugsweise das partikuläre Material bereits enthalten.
Im Zuge einer wieder anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass im Anschluss an den Verfahrensschritt a) ein Ende der Lagenanordnung, die durch konzentrisches Fügen der beiden Lagen erhalten wurde, vor dem Befüllen verschlossen wird, vorzugsweise stoffschlüssig. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass beim Befüllen der Anordnung, selbst bei Verwendung eines losen partikulären Materials, kein Befüllmaterial aus dem Lagenzwischenraum herausfällt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren lässt sich zur Isolierung von Entkoppelelementen, insbesondere zur Isolierung von Bälgen, einsetzen und ist auf beliebige Bauteildurchmesser anwendbar.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der nachfolgenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Leitungselement; und
2a–e zeigen, jeweils im Längsschnitt, aufeinanderfolgende Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Leitungselements.
1 zeigt im Längsschnitt ein erfindungsgemäßes Leitungselement, welches in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Das Leitungselement ist zumindest abschnittweise gewellt nach Art eines Balgs ausgebildet und umfasst zwei konzentrisch gefügte Lagen aus jeweils einem metallischen Werkstoff. Gemäß 1 ist die Innenlage mit dem Bezugszeichen 2 und die Außenlage mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet. Das Leitungselement 1 soll als Entkoppelelement für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) eingesetzt werden, beispielsweise innerhalb einer EGR(Exhaust Gas Recovery)-Leitung. Bezugszeichen L bezeichnet die Längsachse der vorstehend beschriebenen (Lagen-)Anordnung bzw. des Leitungselements 1.
Die Innenlage 2 und die Außenlage 3 des Leitungselements 1 weisen gemäß 1 insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Längsachse L der Anordnung, d.h. in radialer Richtung einen gewissen Abstand d voneinander auf, der in 1 im linken Teil der Abbildung exemplarisch eingezeichnet ist. Der so definierte Lagenzwischenraum ist gemäß der Darstellung in 1 mit einer Befüllung 4 angefüllt, welche Befüllung 4 ein partikuläres Material umfasst, wobei in 1 einzelne Partikel exemplarisch mit dem Bezugszeichen 4a bezeichnet sind. Der Bereich zwischen den Partikeln 4a ist mit einem pastösen Material (Paste) oder Bindemittel 4b aufgefüllt, was in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht genauer dargestellt ist. Die Partikel 4a können selbst Bestandteil der Paste bzw. des Bindemittels sein, wie bereits angemerkt.
Gemäß der Darstellung in 1 weisen die Partikel 4a eine etwa kugelförmige Ausgestaltung auf, insbesondere nach Art von Hohlkugeln, und sie bestehen beispielsweise aus Glas oder einem Keramikmaterial, so dass sie in Bezug auf das Leitungselement 1 eine thermisch isolierende Wirkung entfalten. Diese Wirkung kann durch eine geeignete Auswahl der Paste 4b noch verstärkt werden. Entsprechend ist es möglich, dass die Partikel 4a selbst Bestandteil der Paste 4b sind bzw. deren Feststoffanteil bilden, wie vorstehend ausgeführt.
Wie der Fachmann erkennt, ist die Erfindung keinesfalls auf die weiter oben beispielhaft erwähnten Materialien für die Partikel 4a und die genannte Formgebung beschränkt.
Damit sich das beschriebene Leitungselement 1 für die Verwendung in der Abgasanlage insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor eignet, ist es entscheidend, dass neben den Partikeln 4a auch die Paste 4b entsprechend temperaturbeständig ausgebildet ist, wobei in Abgasanlagen Temperaturen im Bereich von 1.000°C auftreten können.
Gemäß der Darstellung in 1 beträgt der Abstand d zwischen den Lagen 2, 3 des Leitungselements 1 vorzugsweise etwa 1 mm. Die Dicke der einzelnen Lagen 2, 3 beträgt vorzugsweise etwa 0,2 bis 0,5 mm, während ein typischer Durchmesser der verwendeten Partikel 4a im (unteren) Mikrometerbereich liegt.
In 2a bis b zeigen aufeinanderfolgende Verfahrensschritte zur Herstellung insbesondere des Leitungselements 1 gemäß 1:
In 2a zeigt das noch glattzylindrische Innenrohr (Innenlage) 2, das vor dem Fügen an seiner Außenseite optional mit der Paste 4b versehen bzw. bestrichen wurde. Anschließend werden gemäß 2b das Innenrohr bzw. die Innenlage 2 und das Außenrohr bzw. die Außenlage 3 konzentrisch gefügt, und der zwischen der Innenlage 2 und der Außenlage 3 verbleibende Freiraum wird in Richtung der Pfeile P mit dem partikulären Material befüllt, wobei in 2b wiederum nur einzelne Partikel 4a explizit bezeichnet sind. In 2b ist die optionale Bepastung 4b gemäß 2a nicht dargestellt.
In 2c ist das in Befüllrichtung (Pfeile P in 2b) untere Ende der Lagenanordnung aus Innenlage 2 und Außenlage 3 näher dargestellt. Bezugszeichen 4c bezeichnet einen umlaufenden Verschluss des Freiraums zwischen der Innenlage 2 und der Außenlage 3, welcher Verschluss bewirkt, dass die Befüllung 4 bzw. die Partikel 4a nicht nach unten aus der Lagenanordnung herausfallen können. Vorzugsweise ist der Verschluss 4c durch Stoffschluss, beispielsweise Verschweißen der Innenlage 2 und der Außenlage 3 in dem gezeigten Bereich ausgebildet. Wie der Fachmann erkennt, ist die Erfindung jedoch nicht auf eine derartige Ausgestaltung des Verschlusses 4c beschränkt. So kann beispielsweise auch ein Klebeverschluss oder dergleichen zum Einsatz kommen.
2d zeigt die Lagenanordnung der Innenlage 2 und Außenlage 3 nach Abschluss des Befüllvorgangs und vor dem anschließend in 2e dargestellten Umformvorgang (Pressvorgang) zum Ausbilden der bereits in 1 gezeigten Balgwellung.
Dies ist abschließend in 2e dargestellt, welche grundsätzlich der Darstellung in 1 entspricht. Zwischen den Balglagen (Innenlage 2 und Außenlage 3) befinden sich nach dem Pressen die Partikel bzw. Kugeln 4a und ggf. die Paste 4b (vgl. 2a) als Isolierschicht.
Vorzugsweise wird zwischen den Verfahrensschritten gemäß 2d und 2e auch die andere Seite der Lagenanordnung noch dicht verschlossen, so dass ein Herausfallen der Befüllung 4 auch in diesem Bereich verhindert wird.

Claims

Leitungselement (1) mit wenigstens zwei konzentrisch gefügten Lagen (2, 3) aus einem metallischen Werkstoff als Entkoppelelement für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Lagen (2, 3) eine thermisch isolierende Befüllung (4) mit einem partikulären Material angeordnet ist.
Leitungselement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das partikuläre Material ein Granulat oder etwa kugelförmige Partikel (4a) umfasst.
Leitungselement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das partikuläre Material Glaskugeln (4a) und/oder Keramikkugeln (4a) umfasst, vorzugsweise in Form von Hohlkugeln.
Leitungselement (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das partikuläre Material thermisch isolierende Eigenschaften aufweist.
Leitungselement (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Lagen (2, 3) zusätzlich wenigstens eine Paste (4b) oder ein Bindemittel angeordnet ist, welche/s mit dem partikulären Material in Wirkverbindung steht oder welche/s das partikuläre Material enthält, vorzugsweise eine temperaturbeständige Paste oder ein temperaturbeständiges Bindemittel.
Leitungselement (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (d) zwischen den Lagen (2, 3) etwa 0,5 bis 1,5 mm beträgt, vorzugsweise etwa 0,8 bis 1,2 mm, höchst vorzugsweise etwa 1,0 mm.
Leitungselement (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke der einzelnen Lagen (2, 3) etwa 0,1 bis 0,5 mm beträgt, vorzugsweise etwa 0,15 bis 0,4 mm, höchst vorzugsweise etwa 0,2 bis 0,35 mm.
Leitungselement (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungselement (1) zumindest abschnittweise gewellt ausgebildet ist, vorzugsweise nach Art eines Balg, wobei höchst vorzugsweise das partikuläre Material in einem gewellten Abschnitt angeordnet ist.
Leitungselement (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Partikel (4a) in dem partikulären Material eine Größe im Mikrometerbereich aufweisen, vorzugsweise etwa 1 bis 100 µm, höchst vorzugsweise etwa 10 bis 50 µm.
Verfahren zur Herstellung eines Leitungselements (1) mit wenigstens zwei konzentrisch gefügten Lagen (2, 3) aus einem metallischen Werkstoff als Entkoppelelement für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass a) zunächst die Lagen (2, 3) konzentrisch zu einer Lagenanordnung gefügt werden, wobei zwischen den Lagen ein Freiraum verbleibt; b) dann der Freiraum von wenigstens einem offenen Befüllende der Anordnung her zumindest teilweise mit einem thermisch isolierenden partikulären Material befüllt (4) wird; c) schließlich zumindest das Befüllende verschlossen wird, vorzugsweise stoffschlüssig.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagenanordnung nach dem Befüllen, vorzugsweise im Anschluss an Schritt c), umgeformt wird, vorzugsweise zu einem zumindest abschnittweise gewellten Leitungselement (1), höchst vorzugsweise Balg.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Fügen zumindest die innere (2) der beiden Lagen auf ihrer Außenseite mit wenigstens einer Paste (4b) oder einem Bindemittel versehen wird, vorzugsweise einer temperaturbeständigen Paste oder einem temperaturbeständigen Bindemittel, welche/s höchst vorzugsweise das partikuläre Material enthält.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an Schritt a) ein Ende der Lagenanordnung vor dem Befüllen verschlossen wird, vorzugsweise stoffschlüssig.