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Die Erfindung betrifft ein Leitungselement für Abgase, das beispielsweise als sogenanntes Entkopplungselement in Kraftfahrzeugen zum Ausgleich von Einbautoleranzen und zur Entkopplung von Schwingungen zwischen dem Motor und nachfolgenden Teilen des Abgassystems eingesetzt werden kann.
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Aus der
DE 20 2015 104 177 U1 sind verschiedene Ausführungsform von Leitungselementen bekannt, welche aus einem Innenschlauch und einem Außenschlauch bestehen, wobei in der Regel mindestens einer der Schläuche gasdicht ist. Weiterer Stand der Technik findet sich in der
DE 10 2008 001 297 A1 (Wendelgewellter Membranbalg),
DE 10 2011 053 131 A1 (Membranbalg),
DE 10 2010 037 162 A1 (Dämpfungselement für Entkopplungselemente),
DE 10 2015 102 258 A1 (Berührung von Innenschlauch und Außenschlauch),
WO 2017/016728 A1 (Leitungselement mit Reibkontaktschutz) und
WO 2018/077613 A1 (Leitungselement aus mehreren koaxialen Schläuchen). Alle genannten Dokumente werden durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
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Zur Verringerung der Schadstoffemissionen können dem Abgas bereits motornah Zusatzstoffe wie flüssige Katalysatoren (z.B. Harnstoff) zur Reduktion von Stickoxiden zugesetzt werden. Diesbezüglich ist es aus der
EP 2 921 668 B1 bekannt, Rohrabschnitte des Abgassystems im Bereich der Zugabe eines Katalysators mit einer Heizwicklung zu umgeben. Weiterhin ist es aus der
DE 10 2011 112 988 A1 bekannt, vor einem Entkopplungselement eine Heizung zur Verdampfung flüssiger Zusatzstoffe bei deren Zugabe zum Abgasstrom einzusetzen.
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Vor diesem Hintergrund ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zur Optimierung der Zugabe von Zusatzstoffen wie beispielsweise Harnstoff zu einem Abgasstrom bereitzustellen, welche sich konstruktiv einfach realisieren lassen.
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Diese Aufgabe wird durch ein flexibles Leitungselement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Das erfindungsgemäße flexible Leitungselement dient der Leitung eines Abgasstromes und der Entkopplung von Bauteilen im zugehörigen Abgassystem gemäß der eingangs in Bezug auf den Stand der Technik beschriebenen Weise. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein Heizelement aufweist, welches die aktive Erwärmung des Inneren des Leitungselementes ermöglicht (d.h. die Erwärmung des im Betriebszustand der Kaltstartphase dort fließenden Abgasstromes, dessen Temperatur ohne aktive Zuheizung noch nicht das Temperaturlevel erreicht für eine optimale Harnstoffreaktion).
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Erfindungsgemäß wird somit ein aus schwingungsdynamischen Gründen ohnehin bereitzustellendes Entkopplungselement kombiniert mit der Möglichkeit, den Abgasstrom bei Bedarf zu erwärmen. Durch eine solche Erwärmung kann die Wirkung eines dem Abgasstrom zugesetzten Zusatzstoffes wie beispielsweise eines flüssigen Katalysators positiv unterstützt werden. Dies gilt insbesondere für besondere Zustände wie beispielsweise eine Kaltstartphase, während derer der Motor noch nicht die Betriebstemperatur erreicht hat und das Abgas somit Temperaturen aufweist, die zu niedrig für eine wirksame katalytische Behandlung sind. In derartigen Zuständen kann über das Heizelement dem Abgasstrom kontrolliert die für eine optimale Behandlung notwendige Wärme zugeführt werden. Des Weiteren kann für eine vollständige Verdampfung flüssiger Zusatzstoffe gesorgt werden, sodass diese nicht durch Niederschlag an Bauteilen für Probleme sorgen, beispielsweise indem sie durch Auskristallisation eine Versteifung des Entkopplungselementes bewirken.
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Im Folgenden werden verschiedene vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung erläutert, welche einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander realisiert werden können.
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So weist das Leitungselement vorzugsweise eine radial umlaufende Einschnürung und/oder Ausbauchung auf, in welcher das Heizelement zumindest teilweise angeordnet ist. Eine Einschnürung ist dabei definitionsgemäß durch eine Verkleinerung des Radius des Leitungselementes in Bezug auf den übrigen bzw. durchschnittlichen Radius definiert, während ein Ausbauchung im Gegenteil eine Vergrößerung des Radius bedeutet. Im Folgenden werden Einschnürung und Ausbauchung einheitlich unter dem Oberbegriff der „Wellung“ zusammengefasst. Durch die Anordnung des Heizelementes in einer solchen Wellung kann dessen Lage ohne weitere Hilfsmittel fixiert werden, wobei der in der Wellung ohnehin vorhandene freie Bauraum genutzt wird.
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Die vorstehend beschriebene Wellung kann sich über einen begrenzten Winkelbereich ausdehnen (z.B. über 90° von der Mittelachse des Leitungselementes aus gesehen) oder sich vollumfänglich erstrecken (360°). Bei einer vollumfänglichen Erstreckung kann die Wellung geschlossen umlaufend sein. Vorzugsweise handelt es sich indes um eine spiralförmig umlaufende Wellung, insbesondere eine entlang der gesamten axialen Erstreckung des Leitungselementes spiralförmig umlaufende Wellung. In diesem Falle kann das Heizelement durchgehend ebenfalls spiralförmig umlaufend in der Wellung verlegt werden.
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Im einfachsten Fall könnte das Leitungselement aus einem einzigen schlauchartigen Bauteil bestehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Leitungselement indes einen radial außen angeordneten Außenschlauch und (mindestens) einen radial innen hierin angeordneten Innenschlauch. Durch eine solche Doppel- oder Mehrfach-Schlauchform des Leitungselementes können die Vorteile verschiedener Bauformen der Schläuche optimal zum Tragen kommen. Beispielsweise kann der Außenschlauch gasdicht sein, während der Innenschlauch für einen möglichst glatten Fluss des Abgasstromes sorgt.
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Bei den Schläuchen des Leitungselementes handelt es sich beispielsweise um Wickelschläuche, insbesondere um metallische Wickelschläuche. Derartige Wickelschläuche sind in verschiedenen Ausführungsformen (einlagig, mehrlagig, agraffförmig, mit Innenschuppen und/oder Außenschuppen etc.) bekannt. Typische Ausführungsformen sind beispielsweise in der
DE 20 2015 104 177 U1 beschrieben. Insbesondere kann der Innenschlauch als ein Wickelschlauch ausgebildet sein.
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Des Weiteren können alle Schläuche des Leitungselementes als ein Wellbalg, ein Wickelbalg, oder ein Membranbalg ausgebildet sein. Wellbälge werden typischerweise durch eine in Verbindung mit einer Stauchoperation erfolgende Innenhochdruckumformung aus einem Rohr hergestellt. Wickelbälge und Membranbälge sind im Profilbereich verschweißte, rotationssymmetrische oder wendelgewellte Elemente, die entweder zur Rotationsachse senkrecht ausgeprägte Wellungen oder spiralförmige Wellungen aufweisen. Eine gewickelte Balgstruktur kann vorzugsweise formschlüssig eingehakt oder überlappend oder stoffschlüssig verschweißt sein. Derartige Elemente werden beispielsweise in der
DE 10 2008 001 297 A1 oder der
DE 10 2011 053 131 A1 beschrieben. Insbesondere kann der Außenschlauch als ein Wellbalg, ein Wickelbalg, oder ein Membranbalg ausgebildet sein, wodurch er eine hohe Flexibilität bei gleichzeitiger Gasdichtheit bereitstellt.
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Wenn das Leitungselement einen Außenschlauch und einen Innenschlauch enthält, ist das Heizelement vorzugsweise zwischen diesen beiden Schläuchen angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass es einerseits nicht direkt dem Abgasstrom ausgesetzt ist und andererseits gegenüber der Umgebung durch den Außenschlauch geschützt ist. Das Heizelement kann dabei ohne engere Ankopplung an den Außenschlauch oder den Innenschlauch in einem Ringspalt zwischen diesen beiden Schläuchen verlaufen. Alternativ kann es jedoch auch kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit einem der Schläuche oder mit beiden Schläuchen verbunden sein, beispielsweise indem es wie oben erläutert in den Wellungen eines Schlauches angeordnet ist.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung kann das Leitungselement eine thermische Isolierung aufweisen, welche das Heizelement (und ggf. weitere Komponenten) umgibt. Beispielsweise können der Außenschlauch und der Innenschlauch mitsamt dem Heizelement in einem thermisch isolierenden Schlauch angeordnet sein.
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Für die Realisierung des Heizelementes gibt es verschiedene Möglichkeiten. So kann das Heizelement als ein elektrisches Widerstandselement, beispielsweise in Form eines hochohmigen Drahtes oder Bandes ausgebildet sein. Ein elektrisches Widerstandselement hat den Vorteil, dass sich seine Heizwirkung besonders gut und mit geringen Verzögerungen steuern lässt. Zusätzlich oder alternativ kann das Heizelement auch eine Leitung für ein erwärmtes Fluid enthalten, beispielsweise für Kühlwasser vom Motor. Eine solche Leitung wird in der Regel durch ein Rohr mit gut wärmeleitenden Wänden (z.B. aus Metall) realisiert.
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Das Heizelement muss nicht auf den Bereich des als Entkopplungselement dienenden flexiblen Leitungselementes begrenzt sein, sondern kann sich auch auf benachbarte (in der Regel starre) Bauteile erstrecken oder zumindest für den Anschluss an eine solche Erstreckung eingerichtet sein. Beispielsweise könnte ein auf das Leitungselement begrenztes elektrisches Widerstandselement mit Steckverbindern ausgestattet sein, welche seine Kopplung an Widerstandselemente erlauben, die an angrenzenden Bauteilen angeordnet sind.
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Weiterhin kann das Leitungselement eine Vorrichtung zur Zugabe eines Zusatzstoffes aufweisen, beispielsweise eines flüssigen Katalysators wie etwa Harnstoff. Typischerweise befindet sich eine derartige Vorrichtung am stromaufwärtigen Ende des Leitungselementes, damit dort zugegebene Zusatzstoffe im gesamten Leitungselement durch die Wirkung des Heizelementes erreicht werden können.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 einen Längsschnitt entlang der Erstreckungsachse eines Leitungselementes mit einem Heizelement in den Wellungen an der Außenseite des Außenschlauches;
- 2 das Leitungselement von 1 bei zusätzlicher Fortsetzung des Heizelementes am angrenzenden Bauteil;
- 3 einen vergrößerten Längsschnitt durch die Wandung eines Leitungselementes mit einem Heizelement in den Wellungen an der Innenseite des Außenschlauches;
- 4 das Leitungselement von 3 bei Anordnung des Heizelementes im Zwischenraum zwischen Innenschlauch und Außenschlauch.
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1 zeigt einen Schnitt in axialer Richtung durch die Wandung einer ersten Ausführungsform eines Leitungselementes 100 in dessen stromaufwärtigem Anfangsbereich. Das Leitungselement dient in bekannter Weise als Entkopplungselement zu Entkopplung von Schwingungen zwischen den angrenzenden Bauteilen des Motorsystems bzw. des Abgassystems. Die Darstellung von 1 ist rotationsymmetrisch um die Mittelachse X-X vorzustellen, wobei weiterhin das stromabwärtige (rechte) Ende des Leitungselementes ähnlich dem bzw. spiegelsymmetrisch zum stromaufwärtigen Ende ausgebildet ist.
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Das Leitungselement
100 weist als eine wesentliche Komponente einen Außenschlauch
AS in Form eines wendelgewellten Membranbalges auf (vgl.
DE 10 2011 053 131 A1 ), welcher an seinem stromaufwärtigen Ende von einem äußeren Anschlusselement
102 und einen inneren Anschlusselement
103 gefasst ist. Als zweite wesentliche Komponente enthält das Leitungselement
100 einen Innenschlauch
IS in Form eines Wickelschlauches, der koaxial innerhalb des Außenschlauches
AS angeordnet ist. Der Innenschlauch
IS ist an seinem stromaufwärtigen Ende am inneren Anschlusselement
103 festgelegt, wobei die beiden Anschlusselemente
102,
103 weiter stromaufwärts an ein vom Motor kommendes Abgasrohr
101 angeschlossen sind.
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In den spiralförmig umlaufenden Einschnürungen des Außenschlauches AS liegt am Profilgrund ein gleichermaßen spiralförmig umlaufendes Heizelement HE. Durch das Heizelement HE kann kontrolliert aktiv Wärme erzeugt werden, welche sich in den Innenbereich des Innenschlauches IS ausbreitet und den dort fließenden Abgasstrom erwärmen kann. Dies ist beispielsweise während einer Kaltstartphase sinnvoll, wenn die normale Temperatur des Abgasstromes noch zu gering ist, um eine optimale katalytische Nachbehandlung zur Schadstoffreduzierung zu erreichen. Eine solche Situation liegt insbesondere dann vor, wenn Zusatzstoffe wie beispielsweise flüssiger Harnstoff dem Abgasstrom zugegeben werden, und es für eine optimale Wirkung auf deren vollständige Verdampfung und eine ausreichende Reaktionstemperatur des Abgases ankommt.
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Beim Heizelement HE kann es sich beispielsweise um ein elektrisches Widerstandselement in Form eines umlaufenden Widerstandsdrahtes handeln. Von einer nicht näher dargestellten, elektrischen Steuerung kann dieser Draht nach Bedarf mit Strom beaufschlagt werden, um eine gewünschte Wärmeproduktion zu erzeugen. Des Weiteren kann es sich bei dem Heizelement HE auch um ein (typischerweise metallisches) Rohr handeln, durch welches ein vom Motor oder einem externen Zuheizer erwärmtes Fluid geleitet wird. Die in den Figuren nicht näher detaillierten Querschnitte sollen diesbezüglich alle Realisierungsmöglichkeiten des Heizungselementes HE umfassen.
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2 zeigt ein abgewandeltes Leitungselement 200, welches sich von demjenigen aus 1 dadurch unterscheidet, dass sich das Heizelement HE auch stromaufwärts entlang der angrenzenden Bauteile erstreckt. Hierbei kann es sich insbesondere wie dargestellt um die Außenoberflächen des Anschlusselementes 102 und des Abgasrohres 101 handeln. Das Heizelement HE kann entlang seiner gesamten Erstreckung (vom Abgasrohr 101 bis zum stromabwärtigen Ende des Leitungselementes 200) einstückig sein. Alternativ kann ein Steckverbinder (nicht dargestellt) zwischen dem Abschnitt des Heizelementes am Außenschlauch AS und dem Abschnitt entlang der angrenzenden Bauteile vorgesehen sein.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Leitungselementes 300, wobei die Darstellung gegenüber den vorherigen Figuren einen vergrößerten Detailbereich der Wanderung erfasst. Der Außenschlauch AS ist wiederum als wendelgewellter Membranbalg ausgebildet, während es sich bei dem Innenschlauch IS um einen einfach eingehakten Wickelschlauch handelt, welcher mit radialem Abstand zum Außenschlauch AS angeordnet ist. Das Heizelement HE ist bei dieser Ausführungsform zwischen Innenschlauch IS und Außenschlauch AS angeordnet, und zwar spiralförmig umlaufend in den Wellungen an der Innenseite des Außenschlauches AS.
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4 zeigt ein Leitungselement 400, welches gegenüber der Ausführungsform von 3 dahingehend abgewandelt ist, dass das Heizelement HE nicht in den Wellungen liegt, sondern sich im Ringspalt zwischen Innenschlauch IS und Außenschlauch AS erstreckt. Das Heizelement HE kann in diesem Falle einen spiralförmigen Verlauf haben, welcher unabhängig vom Verlauf der Wellungen des Außenschlauches AS ist.
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Die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen können in verschiedener Weise weitergebildet bzw. abgewandelt werden.
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Beispielsweise kann, um während des Betriebs einen Kontakt zwischen Innenschlauch und Außenschlauch zu verhindern und eine Geräuschentwicklung zu dämpfen, zwischen Innenschlauch und Außenschlauch ein Dämpfungselement angeordnet sein. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Metallgestricke handeln, z.B. gemäß der
DE 10 2010 037 162 A1 .
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Der Innenschlauch und der Außenschlauch stehen vorzugsweise punktuell, linienförmig, teilflächig oder vollflächig miteinander in Kontakt. Hierdurch wird bereits ohne weitere Zusatzmaßnahmen oder Komponenten (wie beispielsweise ein Dämpfungsmaterial) konstruktiv eine Schwingungsdämpfung erreicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine reibmindernde Schicht im Kontaktbereich von Innenschlauch und Außenschlauch vorgesehen. Die reibmindernde Schicht kann beispielsweise als Beschichtung oder in Form einer geeigneten Werkstoffauswahl des Schlauchmaterials bzw. der Außenlage eines mehrlagigen Schlauchmaterials ausgebildet werden. Von zwei Lagen eines Schlauches bzw. Profilbandes kann insbesondere eine als Trägerschicht fungieren und die zweite Lage die reibmindernde Schicht (Verschleißträgerschicht) ausbilden. Vorzugsweise ist die reibmindernde Schicht weicher als das Material des Reibpartners. Geeignete Materialien für die reibmindernde Schicht umfassen Edelstahl, Stahl, Zink, Zinkphosphat, Aluminium, Bornitrid, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Titan, Tantal, Keramik, Nickel, Nickelbasislegierungen, Graphit, Aramide, Messing, Bronze und/oder Molybdänsulfid. Weitere Einzelheiten zu einer solchen Ausführungsform finden sich in der
WO 2017/016728 A1 .
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Jeder der Schläuche des Leitungselementes, insbesondere der Innenschlauch, kann zumindest in einem axialen Abschnitt des Leitungselementes einen nicht kreisförmigen („unrunden“) Querschnitt aufweisen, vorzugsweise einen ovalen oder mehreckigen Querschnitt. Bei Platzierung eines Schlauches mit unrundem Querschnitt in einem Schlauch mit rundem Querschnitt (oder andersartig unrundem Querschnitt) kann über einen Linienkontakt für ein gedämpftes Schwingungsverhalten gesorgt werden. Weitere Einzelheiten solcher Ausführungsformen können der
DE 10 2015 102 258 A1 , der
DE 10 2018 102 101 A1 oder der
DE 10 2012 013 946 A1 entnommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202015104177 U1 [0002, 0012]
- DE 102008001297 A1 [0002, 0013]
- DE 102011053131 A1 [0002, 0013, 0021]
- DE 102010037162 A1 [0002, 0028]
- DE 102015102258 A1 [0002, 0031]
- WO 2017/016728 A1 [0002, 0030]
- WO 2018/077613 A1 [0002]
- EP 2921668 B1 [0003]
- DE 102011112988 A1 [0003]
- DE 102018102101 A1 [0031]
- DE 102012013946 A1 [0031]
