DE102017223485A1

DE102017223485A1 - Abgaskrümmer sowie Verfahren zur Herstellung eines Abgaskrümmers

Info

Publication number: DE102017223485A1
Application number: DE102017223485.7A
Authority: DE
Inventors: Arne Holz; Ralf Stienen
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-06-27

Abstract

Ein Abgaskrümmer (10) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Motorrad, mit einem äußeren Abgaskrümmerrohr (16) und einem inneren Abgaskrümmerrohr (18) wird vorgeschlagen. Das innere Abgaskrümmerrohr (18) ist abgasführend und im äußeren Abgaskrümmerrohr (16) aufgenommen, wobei das innere und das äußere Abgaskrümmerrohr (16, 18) wenigstens abschnittsweise voneinander radial beabstandet sind. Ein vom inneren und äußeren Abgaskrümmerrohr (16, 18) berandetes Volumen (24) ist mit einem von Luft verschiedenen Wärmeisolationsmaterial (26) so gefüllt, dass das Wärmeisolationsmaterial (26) als mechanisch formstabiler Abstandshalter zwischen den Abgaskrümmerrohren (16, 18) fungiert. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines Abgaskrümmers (10) vorgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Motorrad, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Abgaskrümmers.
Aus dem Stand der Technik bekannte Abgaskrümmer haben ein inneres und ein äußeres Abgaskrümmerrohr, die voneinander durch einen Luftspalt getrennt sind. Der Luftspalt dient dabei der Wärmeisolation zwischen den beiden Abgaskrümmerrohren.
Zur Herstellung solcher Abgaskrümmer wird ein Material zwischen die beiden Rohre eingebracht, das beim Verformen der Rohre als Abstandshalter dient.
Abgaskrümmer von Motorrädern, insbesondere von Motorrädern mit Boxermotoren, stehen im Allgemeinen frei und sind somit gut sichtbar. Daher ist es von Kunden gewünscht, dass der Abgaskrümmer optisch ansprechend gestaltet ist. Beispielsweise soll der Abgaskrümmer außenseitig mit einem optisch ansehnlichen Material beschichtet sein.
Die Temperatur von Abgasen, die durch das innere Abgaskrümmerrohr strömen, beträgt in etwa 1000 °C. Beschichtungen verfärben sich jedoch oft bereits wesentlich unterhalb dieser Temperatur oder werden beschädigt. Solche Verfärbungen und Beschädigungen schaden der Optik des Abgaskrümmers und sind deswegen unerwünscht.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Abgaskrümmer sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Abgaskrümmers zu schaffen, bei dem solche Verfärbungen und Beschädigungen nicht auftreten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Abgaskrümmer der eingangs genannten Art, mit einem äußeren Abgaskrümmerrohr und einem inneren Abgaskrümmerrohr, wobei das innere Abgaskrümmerrohr abgasführend und in einem äußeren Abgaskrümmerrohr aufgenommen ist, wobei das innere und das äußere Abgaskrümmerrohr wenigstens abschnittsweise voneinander radial beabstandet sind, und wobei ein vom inneren und äußeren Abgaskrümmerrohr berandetes Volumen mit einem von Luft verschiedenen Wärmeisolationsmaterial so gefüllt ist, dass das Wärmeisolationsmaterial als mechanisch formstabiler Abstandshalter zwischen den Abgaskrümmerrohren fungiert. Das Wärmeisolationsmaterial sorgt dafür, dass weniger Wärme vom heißen inneren Abgaskrümmerrohr zum äußeren Abgaskrümmerrohr transportiert wird. Zudem wird die Energieübertragung durch Strahlung vom inneren zum äußeren Abgaskrümmerrohr reduziert. Dementsprechend erhitzt sich das äußere Abgaskrümmerrohr weniger, wodurch Verfärbungen und Beschädigungen einer eventuell vorhandenen Beschichtung des äußeren Abgaskrümmerrohrs reduziert oder sogar verhindert sind. Zudem kühlt das innere Abgaskrümmerrohr weniger ab, sodass auch die Abgase weniger abgekühlt werden. Die Abgase bleiben also über eine längere Strecke durch das innere Abgaskrümmerrohr auf einer hohen Temperatur. Da Abgase, die einen Katalysator anströmen, eine gewisse Mindesttemperatur aufweisen müssen, ergeben sich hierdurch zusätzliche Freiheiten bei der Wahl der Position des Katalysators. Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, zur Herstellung des Abgaskrümmers ein Wärmeisolationsmaterial zwischen die Abgaskrümmerrohre einzubringen, das als Abstandshalter zwischen den Abgaskrümmerrohren dient und im Gegensatz zum Stand der Technik im fertigen Abgaskrümmer verbleibt.
Vorzugsweise ist das Wärmeisolationsmaterial ein im Volumen verpresstes Fluid oder ein im Volumen verpresstes Material von pulver- oder sandartiger Konsistenz. Das Wärmeisolationsmaterial ist beispielsweise ein Granulat aus pyrogenem Siliciumdioxid. Weiter bevorzugt ist das Wärmeisolationsmaterial bei Temperaturen, die das innere Abgaskrümmerrohr erreicht (in etwa 1000 °C) temperaturbeständig und nicht entflammbar.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Wärmeisolationsmaterial für Wärmestrahlung im Wesentlichen undurchlässig. Die Übertragung von Wärme vom inneren zum äußeren Abgaskrümmerrohr durch Wärmestrahlung bildet einen wesentlichen Teil der gesamten Wärmeübertragung vom inneren zum äußeren Abgaskrümmerrohr. Das Wärmeisolationsmaterial absorbiert die Wärmestrahlung, wodurch ein Aufheizen des äußeren Abgaskrümmerrohrs reduziert ist.
Ein Aspekt sieht vor, dass das Volumen ein sich von einem zum entgegengesetzten axialen Ende des Abgaskrümmers erstreckender umfangsseitig geschlossener Ringspalt ist. Das Wärmeisolationsmaterial befindet sich also entlang der gesamten axialen Länge des Abgaskrümmers im Ringspalt zwischen den beiden Abgaskrümmerrohren. Dadurch ist das äußere Abgaskrümmerrohr entlang der gesamten Länge des Abgaskrümmers vom inneren Abgaskrümmerrohr thermisch isoliert.
Gemäß einem weiteren Aspekt sind das Innere und das äußere Abgaskrümmerrohr an einem gemeinsamen Ende miteinander verbunden, insbesondere fluiddicht verbunden. Das Wärmeisolationsmaterial ist also auch bei in einem Betrieb des Kraftfahrzeugs auftretenden Vibrationen und Stößen sicher im Abgaskrümmer eingeschlossen.
Ein weiterführender Aspekt sieht vor, dass das Innere und das äußere Abgaskrümmerrohr am gemeinsamen Ende so miteinander verpresst sind, dass das Volumen für Wärmeisolationsmaterial abgedichtet ist. Das Wärmeisolationsmaterial lässt sich auf diese Weise besonders einfach zwischen den beiden Abgaskrümmerrohren einschließen.
Vorzugsweise ist das äußere Abgaskrümmerrohr außenseitigen mit Chrom versehen, insbesondere beschichtet. Eine verchromte Oberfläche wird im Allgemeinen vom Kunden als besonders ansehnlich erachtet. In dieser Ausgestaltung der Erfindung ist deswegen die optische Erscheinung des Abgaskrümmers verbessert.
Das Wärmeisolationsmaterial kann im Abgaskrümmer gemessen einen Wärmeleitkoeffizienten kleiner als 0,25 W/(m . K) haben, insbesondere kleiner als 0,1W/(m · K). Dadurch ist einerseits das äußere Abgaskrümmerrohr ausreichend vom inneren Abgaskrümmerrohr thermisch isoliert. Da das Wärmeisolationsmaterial auch noch andere Eigenschaften (beispielsweise eine bestimmte Kompressibilität) aufweisen soll, ist dadurch andererseits die Auswahl an Materialien nicht zu sehr eingeschränkt. Insbesondere ist der Wärmeleitkoeffizient des Wärmeisolationsmaterials derart, dass das äußere Abgaskrümmerrohr während eines normalen Betriebs des Kraftfahrzeugs eine vordefinierte maximale Temperatur nicht übersteigt. Die vordefinierte maximale Temperatur beträgt beispielsweise 250 °C.
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Abgaskrümmers, mit den folgenden Schritten:
Zunächst werden ein inneres und ein äußeres Abgaskrümmerrohr vorgesehen, wobei das innere Abgaskrümmerrohr in das äußere Abgaskrümmerrohr gesteckt wird. Nun wird Wärmeisolationsmaterial in ein Volumen zwischen dem inneren und dem äußeren Abgaskrümmerrohr durch eine Öffnung eingebracht, die in Strömungsverbindung mit dem Volumen steht. Danach werden das innere und das äußere Abgaskrümmerrohr verformt, insbesondere gebogen, wobei das Wärmeisolationsmaterial beim Verformen als Abstandshalter zwischen dem inneren und dem äußeren Abgaskrümmerrohr fungiert. Schließlich wird die Öffnung verschlossen, sodass das Wärmeisolationsmaterial im Volumen zwischen dem inneren und dem äußeren Abgaskrümmerrohr verbleibt und der fertige Abgaskrümmer das Wärmeisolationsmaterial enthält. Das Wärmeisolationsmaterial dient also bereits bei der Herstellung des Abgaskrümmers als Abstandshalter zwischen den beiden Abgaskrümmerrohren und verbleibt danach im Volumen. Dadurch muss das Wärmeisolationsmaterial nicht nachträglich zwischen die Abgaskrümmerrohre eingebracht werden, was aufgrund der starken Krümmung der Abgaskrümmerrohre erheblich erschwert wäre. Bezüglich der sonstigen Vorteile wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Vorzugsweise wird das Wärmeisolationsmaterial verdichtet, bevor die Abgaskrümmerrohre gemeinsam verformt werden. Das verdichtete Wärmeisolationsmaterial kann besonders gut als Abstandshalter zwischen den beiden Abgaskrümmerrohren dienen, da es einer Annäherung der beiden Abgaskrümmerrohre einen ausreichenden Widerstand entgegensetzt.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung werden das innere und das äußere Abgaskrümmerrohr verpresst, insbesondere an einem gemeinsamen Ende, um die Öffnung zu verschließen. Dadurch wird die Öffnung in einfacher Art und Weise verschlossen und ist anschließend undurchlässig für das Wärmeisolationsmaterial.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In diesen zeigen:

- 1 eine perspektivische Ansicht eines Zylinders eines Motorrads mit einem erfindungsgemäßen Abgaskrümmer;
- 2 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Abgaskrümmer von 1;
- 3 eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers von 1; und
- 4 ein schematisches Ablaufdiagramm der Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers gemäß 1 bis 3.

In 1 ist in einer perspektivischen Ansicht ein Abgaskrümmer 10 gezeigt, der an einen Zylinder 12 eines Motors 14 eines Motorrads mittels eines Flansches 15 (siehe 1 und 3) angeschlossen ist. Der Motor 14 ist beispielsweise ein Boxermotor.
Wie besonders gut in 2 zu erkennen ist, umfasst der Abgaskrümmer 10 ein äußeres Abgaskrümmerrohr 16 sowie ein inneres Abgaskrümmerrohr 18, die jeweils eine Wandung 20, 22 aus Metall haben. Das innere Abgaskrümmerrohr 18 ist im äußeren Abgaskrümmerrohr 16 aufgenommen und mit einem Verbrennungsraum des Zylinders 12 derart gekoppelt, dass es Abgase des Zylinders 12 von diesem wegführt.
Die beiden Abgaskrümmerrohre 16, 18 haben, in axialer Richtung des Abgaskrümmer 10 gesehen, jeweils einen von der Wandung 20 bzw. 22 begrenzten, kreisrunden Querschnitt. Der Querschnitt kann über die axiale Länge des Abgaskrümmers hinweg im Wesentlichen unveränderlich sein.
Das äußere und das innere Abgaskrümmerrohr 16, 18 sind jeweils über ihre axiale Länge hinweg U-förmig derart gekrümmt, sodass sie, ausgehend vom Zylinder 12, zunächst in Richtung Motorradfront verlaufen. Über einen C-förmigen Abschnitt 23 verlaufen die beiden Abgaskrümmerrohre dann in Bezug auf eine Höhenrichtung H unterhalb des Zylinders 12 in Richtung Motorradheck.
Das innere Abgaskrümmerrohr 18 weist aus thermodynamischen Gründen einen Innendurchmesser von wenigstens 45 mm auf. Das äußere Abgaskrümmerrohr 16 kann einen Außendurchmesser von beispielsweise 52 mm bis 60 mm haben.
Die beiden Wandungen 20, 22 beranden ein Volumen 24 zwischen den beiden Abgaskrümmerrohren 16, 18, das sich ringspaltartig über die axiale Länge des Abgaskrümmers 10 erstreckt. Das Volumen 24 hat beispielsweise eine Spaltbreite von 5-6 mm.
Das Volumen 24 ist mit einem temperaturbeständigen, nicht entflammbaren Wärmeisolationsmaterial 26 gefüllt, das von Luft verschieden ist. Unter den Begriffen „temperaturbeständig“ und „nicht entflammbar“ ist dabei zu verstehen, dass sich das Wärmeisolationsmaterial bei im Abgassystem typischerweise auftretenden Temperaturen (also weniger als 1500 °C) nicht zersetzt beziehungsweise nicht entflammbar ist.
Bei dem Wärmeisolationsmaterial 26 kann es sich um ein Fluid handeln. Alternativ ist das Wärmeisolationsmaterial 26 ein Material mit einer pulver-oder sandartigen Konsistenz, beispielsweise ein Granulat aus pyrogenem Siliciumdioxid.
Vorzugsweise weist das Wärmeisolationsmaterial 26, beispielsweise bei einer Referenztemperatur von 400 °C, einen Wärmeleitkoeffizienten λ kleiner als 0,25 W/(m·K) auf. Weiter bevorzugt ist der Wärmeleitkoeffizient λ kleiner als 0,1 W/(m·K). Insbesondere ist der Wärmeleitkoeffizient λ bei einer Temperatur von 1000 °C kleiner als 0,25 W/(m · K).
Zudem ist das Wärmeisolationsmaterial 26 wärmestrahlenabsorbierend, insbesondere für Wärmestrahlen im Wesentlichen undurchlässig.
Das Wärmeisolationsmaterial 26 vermindert eine Wärmeübertragung vom inneren Abgaskrümmerrohr 18 zum äußeren Abgaskrümmerrohr 16. Zum einen reduziert das Wärmeisolationsmaterial 26 durch seinen niedrigen Wärmeleitkoeffizienten die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung. Zum anderen vermindert es die Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung, die einen wesentlichen Teil der gesamten Wärmeübertragung vom inneren Abgaskrümmerrohr 18 zum äußeren Abgaskrümmerrohr ausmacht.
Durch die verminderte Wärmeübertragung ist die Temperatur des äußeren Abgaskrümmerrohrs 16 während des Betriebs des Motorrads wesentlich geringer als die Temperatur des inneren Abgaskrümmerrohrs 18. Eine Beschichtung 28 des äußeren Abgaskrümmerrohrs 16, die beispielsweise durch eine Chromlegierung gebildet ist, wird also thermisch weniger belastet, wodurch Verfärbungen und/oder Beschädigungen verhindert sind. Zudem kühlen im Inneren des inneren Abgaskrümmerrohrs 18 geleitete Abgase langsamer ab, wodurch sich eine höhere Freiheit bei der Positionierung eines Katalysators ergibt.
Im Folgenden wird anhand von 4 ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Abgaskrümmers 10 näher erläutert.
Zunächst werden das äußere Abgaskrümmerrohr 16 und das innere Abgaskrümmerrohr 18 bereitgestellt. Die beiden Abgaskrümmerrohre 16, 18 sind dabei noch im Wesentlichen gerade, weisen also entlang ihrer axialen Länge im Wesentlichen keine Krümmung auf. Das innere Abgaskrümmerrohr 18 wird in das äußere Abgaskrümmerrohr 16 gesteckt (Schritt S1).
In das ringspaltartige Volumen 24 zwischen den beiden Abgaskrümmerrohren 16, 18 wird nun das Wärmeisolationsmaterial 26 eingebracht (Schritt S2). Dies kann beispielsweise durch eine axial endseitige, ringspaltartige Öffnung 29 zwischen den beiden Abgaskrümmerrohren 16, 18 geschehen.
Optional wird das Wärmeisolationsmaterial 26 im Volumen 24 verdichtet, beispielsweise durch Rütteln oder Verpressen, sodass die mechanische Formstabilität des Wärmeisolationsmaterials erhöht wird.
Nun werden die beiden Abgaskrümmerrohre 16, 18 gemeinsam verformt, insbesondere gebogen, und so in die in 1 gezeigte Form des fertigen Abgaskrümmers 10 gebracht (Schritt S3). Das Wärmeisolationsmaterial 26 dient dabei als mechanische Abstandshalter, indem es verhindert, dass sich der radiale Abstand zwischen dem äußeren und dem inneren Abgaskrümmerrohr 16, 18 wesentlich ändert.
Nachdem die Abgaskrümmerrohre 16, 18 in Form gebracht worden sind, wird die Öffnung 29, durch die das Wärmeisolationsmaterial 26 in das Volumen 24 eingebracht wurde, verschlossen (Schritt S4). Insbesondere wird die Öffnung derart verschlossen, dass das Wärmeisolationsmaterial 26 im Volumen 24 eingeschlossen ist. Dazu werden beispielsweise die Abgaskrümmerrohre 16, 18 an einem gemeinsamen Ende 30, das der Öffnung 29 zugeordnet ist, miteinander verpresst.

Claims

Abgaskrümmer (10) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Motorrad, mit einem äußeren Abgaskrümmerrohr (16) und einem inneren Abgaskrümmerrohr (18), wobei das innere Abgaskrümmerrohr (18) abgasführend und im äußeren Abgaskrümmerrohr (16) aufgenommen ist, wobei das innere und das äußere Abgaskrümmerrohr (16, 18) wenigstens abschnittsweise voneinander radial beabstandet sind, und wobei ein vom inneren und äußeren Abgaskrümmerrohr (16, 18) berandetes Volumen (24) mit einem von Luft verschiedenen Wärmeisolationsmaterial (26) so gefüllt ist, dass das Wärmeisolationsmaterial (26) als mechanisch formstabiler Abstandshalter zwischen den Abgaskrümmerrohren (16, 18) fungiert.
Abgaskrümmer (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeisolationsmaterial (26) ein im Volumen (24) verpresstes Fluid oder ein im Volumen (24) verpresstes Material von pulver- oder sandartiger Konsistenz ist.
Abgaskrümmer (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeisolationsmaterial (26) für Wärmestrahlung im Wesentlichen undurchlässig ist.
Abgaskrümmer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen (24) ein sich von einem zum entgegengesetzten axialen Ende des Abgaskrümmers (10) erstreckender umfangsseitig geschlossener Ringspalt ist.
Abgaskrümmer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innere und das äußere Abgaskrümmerrohr (16, 18) an einem gemeinsamen Ende (30) miteinander verbunden sind, insbesondere fluiddicht verbunden.
Abgaskrümmer (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das innere und das äußere Abgaskrümmerrohr (16, 18) am gemeinsamen Ende (30) so miteinander verpresst sind, dass das Volumen (24) für Wärmeisolationsmaterial (26) abgedichtet ist.
Abgaskrümmer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Abgaskrümmerrohr (16) außenseitig mit Chrom versehen ist, insbesondere beschichtet.
Abgaskrümmer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeisolationsmaterial (26) im Abgaskrümmer gemessen einen Wärmeleitkoeffizienten (λ) kleiner als 0,25 W/(m·K) hat, insbesondere kleiner als 0,1 W/(m·K).
Verfahren zur Herstellung eines Abgaskrümmers (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten: - Vorsehen eines inneren und eines äußeren Abgaskrümmerrohrs (16, 18), wobei das innere Abgaskrümmerrohr (18) in das äußere Abgaskrümmerrohr (16) gesteckt wird; - Einbringen von Wärmeisolationsmaterial (26) in ein Volumen (24) zwischen dem inneren und dem äußeren Abgaskrümmerrohr (16, 18) durch eine Öffnung (29), die in Strömungsverbindung mit dem Volumen (24) steht; - Verformen, insbesondere Biegen, des inneren und des äußeren Abgaskrümmerrohrs (16, 18), wobei das Wärmeisolationsmaterial (26) beim Verformen als Abstandshalter zwischen dem inneren und dem äußeren Abgaskrümmerrohr (16, 18) fungiert; und - Verschließen der Öffnung (29), sodass das Wärmeisolationsmaterial (26) im Volumen (24) zwischen dem inneren und dem äußeren Abgaskrümmerrohr (16, 18) verbleibt und der fertige Abgaskrümmer (10) das Wärmeisolationsmaterial (26) enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeisolationsmaterial (26) verdichtet wird, bevor die Abgaskrümmerrohre (16, 18) gemeinsam verformt werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das innere und das äußere Abgaskrümmerrohr (16, 18) verpresst werden, insbesondere an einem gemeinsamen Ende (30), um die Öffnung (29) zu verschließen.