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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer zur Anordnung an einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Abgaskrümmer eine Innenschale und eine Außenschale aufweist und zwischen der Innenschale und der Außenschale ein Isolationsmaterial angeordnet ist, gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Abgaskrümmers, wobei der Abgaskrümmer eine Innenschale und eine Außenschale aufweist und zwischen der Innenschale und der Außenschale ein Isolationsmaterial eingebracht wird, gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 9.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, den Wirkungsgrad bzw. die Effizienzausnutzung einer Verbrennungskraftmaschine durch Aufladung der Verbrennungskraftmaschine zu steigern. Hierbei wird die Verbrennungskraftmaschine bei gleich bleibendem oder aber reduziertem Hubraum durch Vorverdichtung der Frischluft befüllt.
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Bekannte Aufladertypen sind der Turbolader, der Kompressor oder aber auch der Druckwellenlader. Insbesondere hat sich der Abgasturbolader in den letzten Jahren im Bereich der Dieselmotoren, aber auch im Bereich der Ottomotoren, etabliert. Der Abgasturbolader besteht aus einem Abgasturboladergehäuse, das aufgeteilt ist in ein Verdichtergehäuse und ein Turbinengehäuse. Das Abgas des Verbrennungsprozesses strömt dabei durch das Turbinengehäuse und versetzt ein Turbinenrad mit Hilfe der im Abgas enthaltenen Energie in Rotation. Das Turbinenrad ist über eine Welle mit dem Verdichterrad gekoppelt und treibt somit das Verdichterrad an. Das Verdichterrad sitzt wiederum im Verdichtergehäuse, wobei angesaugte Frischluft dem Verdichtergehäuse zugeführt wird, durch das Verdichterrad vorverdichtet wird und anschließend die vorverdichtete Frischluft der Verbrennungskraftmaschine für den Ladungswechselvorgang zugeführt wird.
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Anforderungen an einen Abgasturbolader ausschließlich technischer Natur bedingt sind und hier keine designgebenden oder aber ästhetischen Vorgaben zu erfüllen sind, wird ein Abgasturbolader ausschließlich unter wirtschaftlichen Aspekten gefertigt. Dies bedeutet, dass der Abgasturbolader insbesondere kostengünstig herstellbar sein muss und gleichzeitig eine hohe Dauerhaltbarkeit beinhalten muss. Die rotierenden Komponenten innerhalb des Abgasturboladers erreichen jedoch Drehzahlen von bis zu mehr als 200.000 Umdrehungen pro Minute und müssen im Falle eines Ottomotors Abgastemperaturen von bis zu mehr als 1.050° C langfristig Stand halten.
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Hierzu hat es sich im Stand der Technik etabliert, Abgasturboladergehäuse als Gussgehäuse herzustellen, die dann spanend nachbearbeitet werden, wobei die rotierenden Komponenten dann in die Gussgehäuse eingesetzt werden. Hierbei besteht die Möglichkeit, das Abgasturboladergehäuse kostengünstig als Gussbauteil herzustellen. Das Gußbauteil absorbiert jedoch insbesondere in der Startphase einer Verbrennungskraftmaschine einen nicht unerheblichen Teil der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie derart, dass sich das Gehäuse erwärmt, wobei es Ziel sein sollte, die im Abgas enthaltene Wärmeenergie zum Antreiben des Abgasturboladers zu nutzen.
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Hierzu sind aus dem Stand der Technik gebaute Abgasturboladergehäuse bekannt, bei denen das Abgasturboladergehäuse aus einer Blechschale hergestellt ist, an die Flansche angeschweißt sind, wodurch die sich in Folge des strömenden Abgases erwärmende Körpermasse des Abgasturboladergehäuses minimiert. Hierbei kann es jedoch immer noch dazu kommen, dass gerade in der Startphase ein Teil der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie eher der Erwärmung der Gehäuseteile oder aber an die Umgebung abgegeben wird.
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Zur Lösung dieses Problems sind aus dem Stand der Technik doppellagige Abgasturbolader bekannt, die aus einer Innenschale und einer Außenschale bestehen, so dass zwischen Innenschale und Außenschale ein Isolationsspalt verbleibt, der verhindern soll, dass ein Großteil der Wärmeenergie über die Außenschale an die Umgebung abgegeben wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik einen Abgaskrümmer aufzuzeigen, der eine besonders gute Isolationswirkung aufweist, bei gleichzeitig kostengünstiger Herstellbarkeit.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Abgaskrümmer gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren zur Herstellung des Abgaskrümmers gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 9 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Der erfindungsgemäße Abgaskrümmer zur Anordnung an einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Abgaskrümmer eine Innenschale und eine Außenschale aufweist und zwischen der Innenschale und der Außenschale ein Isolationsmaterial angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial konturgetreu an die Innenmantelfläche der Außenschale und die Außenmantelfläche der Innenschale angepasst ist, wobei die Innenschale über das Isolationsmaterial gegenüber der Außenschale abgestützt ist.
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Aus dem Stand der Technik bekannt wird die Innenschale des Abgaskrümmers gegenüber der Außenschale zumeist über Stützen, insbesondere über Drahtgestricke bzw. Drahtgestrickringe, abgestützt. Dazwischen wird Isolationsmaterial in Mattenform eingelegt. Die Drahtgestrickringe selbst sind dabei ein deutlich schlechterer Isolator gegenüber dem Isolationsmaterial in Mattenform.
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Erfindungsgemäß wird hierauf jedoch vollständig verzichtet. Das Isolationsmaterial ist insbesondere vollflächig zwischen Innenschale und Außenschale angeordnet und stützt die Innenschale gegenüber der Außenschale ab. Mithin sind keine Wärmebrücken vorhanden und es kann auf zusätzliche Bauteile, beispielsweise Drahtgestrickringe, verzichtet werden.
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Im Rahmen der Erfindung sind sowohl die Innenschale als auch die Außenschale insbesondere als Metallbauteile, ganz besonders bevorzugt aus einem Stahlwerkstoff, hergestellt. Innerhalb der Innenschale wird das Abgas der Verbrennungskraftmaschine abgeführt. Dabei ist unter einer Innenschale auch ein Rohrleitungssystem zu verstehen, bzw. die Aneinanderreihung von gasführenden Rohren. Die Innenschale selbst kann jedoch auch als Blechschale und mithin als Blechumformbauteil ausgebildet sein.
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Der erfindungsgemäße Abgaskrümmer ist dabei auf zwei verschiedene Weisen herstellbar. Zum einen ist es denkbar, dass das Isolationsmaterial in Form einer Isolationsschale, insbesondere einer zweiteiligen Isolationsschale, im Vorhinein gefertigt wird. Dabei wird die Isolationsschale aus einem festen Isolierwerkstoff hergestellt, insbesondere wird die Isolationsschale dabei aus einem Isolierwerkstoff hergestellt, der vorgeformt wird, insbesondere durch ein Vakuumumformen. Mithin wird ein Isolierwerkstoff verwendet, der ähnliche Gewebeeigenschaften zu Watte oder Glaswolle aufweist und der mit Hilfe eines Druckumformverfahrens, insbesondere mit einem Vakuumumformverfahren, formgebend hergestellt wird. Alternativ dazu ist es auch vorstellbar, dass ein Isolationswerkstoff verwendet wird, der ein derart hartes Werkstoffgefüge aufweist, dass eine Formgebung, beispielsweise durch ein spanabhebendes Verfahren bzw. durch ein Shapen des Isolierwerkstoffes erfolgt. Die so hergestellte Isolationsschale wird dann in der Außenschale angeordnet und die Innenschale wiederum in der Isolationsschale. Dies bietet den Vorteil, dass die Isolationsschale direkt ihre Stützwirkung bezüglich der Innenschale entfaltet.
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Hierzu ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Isolationsschale selbst zweiteilig ausgebildet ist. Bei einem Drei- oder Vier- bzw. Sechszylinderreihenmotor oder einer Zylinderreihe eines V-Motors, ist es somit möglich, dass die Isolationsschale in eine Isolationsoberschale und eine Isolationsunterschale eingeteilt ist und die Isolationsunterschale und die Isolationsoberschale an die Innenschale angeordnet werden. Sodann ist es besonders vorteilig, wenn auch die Außenschale zweiteilig ausgebildet ist, so dass eine Außenoberschale und eine Außenunterschale dann auf die Isolationsschale ebenfalls angeordnet werden. Bevorzugt wird dann die Außenschale durch thermisches Fügeverfahren miteinander gefügt, insbesondere gasdicht gefügt, beispielsweise durch Schweißen. Optional ist es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, wenn die so hergestellte Isolationsschale zumindest bereichsweise mit der Außenschale und/oder mit der Innenschale verklebt ist.
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Insbesondere ist im Rahmen der Erfindung zwischen Außenschale und Innenschale ein Schiebesitz ausgebildet, so dass die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen aufgrund des Kontaktes der Innenschale mit mitunter mehr als 800 °C heißem Abgas, wohingegen die Außenschale einen Kontakt mit der Umgebungstemperatur aufweist, ausgeglichen werden. Hierzu ist die Isolationsschale insbesondere derart duktil ausgebildet, dass sie gegenüber einem Nennmaß, mithin nach der Produktion bei Raumtemperatur, eine derart duktile Eigenschaft aufweist, dass sie eine Ausdehnung der Innenschale erlaubt.
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Weiterhin besonders bevorzugt ist zwischen Isolationsschale, Innenschale und Außenschale ein Presssitz ausgebildet, derart, dass insbesondere die Isolationsschale als Übermaßpassung zwischen Innenschale und Außenschale sitzt. Hierdurch werden eventuell auftretende Vibrationen unterbunden. Gleichzeitig wird gewährleistet, dass die Innenschale besonders fest und sicher innerhalb der Außenschale abgestützt wird. Der Presssitz sollte jedoch insbesondere derart ausgebildet sein, dass sich die Innenschale gegenüber der Außenschale dennoch, aufgrund eines thermischen Verzugs, ausdehnen kann. Insbesondere sollte sich die Innenschale innerhalb ihres Schiebesitzes in der Außenschale bewegen können.
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Weiterhin besonders bevorzugt sind an der Isolierschale selbst Vorsprünge zumindest bereichsweise derart ausgebildet, dass sie an der Innenmantelfläche der Außenschale oder aber der Außenmantelfläche der Innenschale anliegen und zu einer erhöhten Flächenpressung bzw. Abstützung führen. Der Bereich des Vorsprungs wird aufgrund der Duktilität bzw. Elastizität des Isoliermaterials im Wesentlichen in Richtung des Isoliermaterials eingedrückt und fungiert somit aufgrund der erhöhten Flächenpressung selbst als Abstandhalter in dem Spalt, in dem die Isolierschale angeordnet wird. Weiterhin bevorzugt liegt jedoch im Wesentlichen die restliche Isolierschale ebenfalls vollflächig an der Innenschale bzw. der Außenschale an.
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Die Außenschale und die Innenschale selbst sind insbesondere aus metallischem Werkstoff, insbesondere aus einem Stahlwerkstoff, hergestellt. Die Außenschale ist weiterhin besonders bevorzugt mit einem derartigen Flansch gekoppelt, dass hierüber der Abgaskrümmer an einen Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine geschraubt werden kann.
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Im Rahmen der Erfindung wird insbesondere ein Isolierwerkstoff und/oder ein Kleber eingesetzt, der polykristalline Phasen sowie organischen Binder aufweist.
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Nachfolgend aufgeführte Isoliermaterialien werden im Rahmen der Erfindung bevorzugt jeweils einzeln oder aber in Kombination beispielsweise in den übereinander bzw. untereinander liegenden Lagen oder aber nebeneinander an verschiedenen Flächenbereichen innerhalb der erfindungsgemäßen Abgasturboladerbaugruppe eingesetzt:
Ein erstes Isoliermaterial ist bevorzugt ein nicht quellendes Material. Es weist bevorzugt polykristalline Fasern und organische Binder auf, insbesondere Mullit (Aluminiumsilikat) und Acrylpolymer.
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Ein zweites Isoliermaterial ist bevorzugt ein quellendes Isoliermaterial, das insbesondere RCF Fasern (Refractory Ceramic Fibers) aufweist. Insbesondere besteht dieses aus Vermiculit, Aluminosilikatfasern, Acryllatex und Aluminosilikathydrat.
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Ein alternatives drittes Isoliermaterial ist ebenfalls als quellendes Material ausgebildet aus Isofrax Fasern. Insbesondere sind Isofrax Fasern wiederum aus Silicat und/oder Magnesia und/oder Aluminiumoxid und/oder Titanerde und/oder Zirkonerde und/oder Spurenoxiden aufgebaut. Ferner weisen diese Vermiculite und anorganisches Bindemittel auf.
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Ein viertes weiterhin bevorzugtes Isoliermaterial ist ebenfalls als quellendes Material ausgebildet in Form von Silikat-Fasern. Hierbei handelt es sich bevorzugt um Silikat Fasern mit einem Siliziumsauerstoffgehalt (SiO2) von 93–95% und einem Alkaligehalt von weniger als 1 %; einem Schlichtgehalt von weniger als 1 % und einer Magnesiumsilikatbeschichtung.
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Die Dicken des Isoliermaterials sind zum einen abhängig von dem oben genannten ausgewählten Isoliermaterial selbst sowie von dem Flächengewicht bzw. dessen Flächendichte. Insbesondere kommt im Durchschnitt eine Wandstärke des Isoliermaterials zwischen 1 und 20 mm, insbesondere zwischen 2 und 19 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 2,9 und 18,6 mm zur Anwendung. Das Isoliermaterial muss derart ausgewählt sein, dass es nicht durch eine Überpressung, welche einen Bruch der einzelnen Fasern zur Folge hätte, beschädigt wird oder aber es durch eine zu geringe Einpressung zu einer Erosion des Materials kommt und damit über die Einsatzdauer hinweg die Isolierfähigkeit nachlässt.
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Im Rahmen der Erfindung wird das Isoliermaterial zwischen Innen- und Außenschale insbesondere in einer Dicke zwischen 2 und 20 mm, bevorzugt zwischen 3 und 18 mm verarbeitet. Somit ergibt sich eine Isolierschale, die eine Wandstärke zwischen 2 und 20 mm aufweist.
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Eine zweite Möglichkeit zur Herstellung des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers ist das Einbringen des Isolationsmaterials zwischen die Innenschale und die Außenschale in fluider Form. Hierbei kann das Isolationsmaterial insbesondere in Form einer Flüssigkeit, insbesondere in Form eines Gels, zwischen die Innenschale und die Außenschale eingebracht werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass das Isolationsmaterial in Form eines fließfähigen Schaumes zwischen die Innenschale und die Außenschale eingebracht wird. Das Isolationsmaterial füllt dann den Zwischenraum zwischen Innenschale und Außenschale aus und dehnt sich insbesondere zwischen der Innenschale und der Außenschale nochmals während eines Aushärteprozesses mindestens geringfügig aus. Hierdurch wird dann ein Anschmiegen bzw. Anpassen an die jeweiligen Innenmantelflächen sichergestellt. Das fließfähige Isolationsmaterial kann sich auch beim Aushärten zumindest teilweise mit der Innenmantelfläche der Außenschale und der Außenmantelfläche der Innenschale verkleben. Zur Herstellung wird die Innenschale durch ein Positionierwerkzeug in der Außenschale gehalten, bis der eingebrachte Isolierwerkstoff zumindest teilausgehärtet ist. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass die Innenschale über Abstandhalter, beispielsweise über Nadeln oder aber auch Wachsabstandhalter, gehalten werden. Das Wachs würde dann während des Aushärtens und/oder in Betrieb entsprechend ausfließen.
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Weitere Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Abgaskrümmers mit mindestens einem der zuvor genannten Merkmale, wobei das Verfahren insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, dass der Abgaskrümmer eine Innenschale und eine Außenschale aufweist und zwischen der Innenschale und der Außenschale ein Isolationsmaterial eingebracht wird. Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial aus einem festen Isolierwerkstoff ausgebildet ist und vorgeformt wird, wobei die äußere Kontur des Isolationsmaterials an die Innenkontur der Außenschale und an die Außenkontur der Innenschale angepasst wird. Alternativ dazu sieht das Verfahren vor, dass die Innenschale in der Außenschale positioniert wird und ein Isolierwerkstoff in Fluidform zwischen die Außenschale und die Innenschale eingegossen wird, wobei der Isolierwerkstoff dann zwischen Außenschale und Innenschale aushärtet.
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In besonders bevorzugter Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Isoliermaterial als Isolierschale ausgebildet, insbesondere als zweiteilige Isolierschale, wobei die Isolierschale durch Umformen oder spanabhebend oder gießtechnisch hergestellt wird und in die Außenschale eingesetzt wird, so dass die Isolierschale die Innenschale in der Außenschale abstützt. Die Isolierschale selbst wird dabei insbesondere in einem festen Werkstoffzustand zwischen Innenschale und Außenschale eingesetzt. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass die Isolierschale nur teilausgehärtet ist und zwischen Innenschale und Außenschale derart verpresst wird, dass sich ein Presssitz einstellt und dann eine vollständige Aushärtung der Isolierschale zwischen Innenschale und Außenschale erfolgt.
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Alternativ dazu ist es möglich, dass der Isolierwerkstoff in Fluidform im flüssigen Zustand oder aber als fließfähiger Schaumwerkstoff zwischen Innenschale und Außenschale eingebracht wird, wobei der fluide Isolierwerkstoff dann zwischen Innenschale und Außenschale aushärtet. Hierzu wird die Innenschale in der Außenschale durch ein externes Haltewerkzeug oder aber durch zwischen Innenschale und Außenschale positionierte, filigrane Abstandhalter gehalten.
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Im Rahmen der Erfindung wird der Isolierwerkstoff in Fluidform, insbesondere im fließfähigen Zustand, beispielsweise in flüssigem Zustand, in einem gelartigen bzw. pastösen Zustand oder alternativ als fließfähiger Schaumwerkstoff, zwischen die Innenschale und die Außenschale eingebracht. Insbesondere dehnt sich der fluide Isolierwerkstoff während des Aushärtens zwischen Innenschale und Außenschale um 0,1 bis 20 %, ganz besonders bevorzugt um 0,5 bis 5 %, aus. Hierdurch wird ein Presssitz zwischen Innenschale und Außenschale hergestellt, der eine besonders passgenaue Positionierung der Innenschale innerhalb der Außenschale gewährleistet. Der ausgehärtete Werkstoff weist jedoch eine Restduktilität auf, die mindestens den thermischen Verzug zwischen Innenschale und Außenschale im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ausgleicht und besonders bevorzugt einen Schiebesitz zwischen Innenschale und Außenschale in seiner Funktion nicht beeinträchtigt.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Abgaskrümmer in einer perspektivischen Ansicht,
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2 einen erfindungsgemäßen Abgaskrümmer in einer Draufsicht,
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3 eine Schnittansicht gemäß der Linie A-A aus 2 und
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4 eine Querschnittsansicht durch eine Isolierschale mit Vorsprung.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Abgaskrümmer 1, der eine Außenschale 2 und eine Innenschale 3 aufweist. Zwischen Außenschale 2 und Innenschale 3 ist ein Spalt 4 ausgebildet, der erfindungsgemäß mit einem Isolierwerkstoff vollständig ausgefüllt ist.
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2 zeigt eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Abgaskrümmer 1. Ausgehend von einem jeweiligen Flansch 5 zum Anschrauben an einem nicht näher dargestellten Zylinderkopf. Der Flansch 5 ist mit einen ersten Teil der Außenschale 2a gekoppelt. Die Außenschale 2b weist ferner einen zweiten Teil auf, wobei beide Teile 2a, 2b über eine Koppelnaht 6 miteinander verbunden sind und die Koppelnaht 6 beispielsweise durch thermisches Fügen gasdicht verschlossen ist. Im Rahmen der Erfindung ist eine Teilung der Außenschalen 2 auch bezogen auf 2 in Bildebene möglich, so dass die Außenschale 2 den Flansch 5 oberhalb und unterhalb der Bildebene umgreifen würde.
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3 zeigt eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie A-A aus 2. Hierbei ist nochmals gut zu erkennen die erste Außenschale 2a sowie die zweite Außenschale 2b, die über eine Koppelnaht 6 miteinander verbunden sind. Innerhalb der Außenschale 2 ist die Innenschale 3 angeordnet, wobei zwischen Außenschale 2 und Innenschale 3 jeweils eine Isolierschale 7 angeordnet ist. Die Isolierschale 7 liegt dabei konturgetreu an der Innenmantelfläche 8 der Außenschale 2 sowie der Außenmantelfläche 9 der Innenschale 3 an und stützt die Innenschale 3 innerhalb der Außenschale 2 ab. Die Isolierschale 7 selbst ist dabei ebenfalls zweiteilig ausgebildet, so dass diese einfach montierbar ist. Erfindungsgemäß kann auf jegliche Abstandhalter oder Abstützungen zwischen Innenschale 3 und Außenschale 2 verzichtet werden.
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4 zeigt weiterhin eine Schnittansicht durch eine Isolierschale 7 mit einzuführender Innenschale 3. Gegenüber der Isolierschale 7 steht in Richtung zu der Innenschale 3 ein Vorsprung 10 vor, der durch die weitere Einführbewegung der Innenschale 3 in die Isolierschale 7 eingedrückt wird und hier zu einer größeren Flächenpressung führt und aufgrund der Elastizität bzw. Duktilität der Isolierschale 7 an der Außenmantelfläche 9 der Innenschale 3 zur Anlage kommt. Die Innenschale 3 drückt dann jedoch den Vorsprung 10 derart in Richtung der Isolierschale 7 ein, dass eine Mantelfläche 11 der Isolierschale 7 im Wesentlichen vollflächig an der Außenmantelfläche 9 der Innenschale 3 anliegt. Alternativ oder ergänzend dazu kann ein Vorsprung 10 auch an der Außenseite 12 der Isolierschale 7 ausgebildet sein, wobei dieser dann an der nicht näher dargestellten Innenmantelfläche 8 der Außenschale 2 zur Anlage kommt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgaskrümmer
- 2
- Außenschale
- 2a
- erste Außenschale
- 2b
- zweite Außenschale
- 3
- Innenschale
- 4
- Spalt
- 5
- Flansch
- 6
- Koppelnaht
- 7
- Isolierschale
- 8
- Innenmantelfläche zu 2
- 9
- Außenmantelfläche zu 3
- 10
- Vorsprung
- 11
- Mantelfläche
- 12
- Außenseite
