DE10357125A1

DE10357125A1 - Krümmer für eine Abgasanlage und Verfahren zur Herstellung eines Krümmers

Info

Publication number: DE10357125A1
Application number: DE2003157125
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr.rer.nat. Baur; Tilmann Dr.Rer.Nat. Haug; Karl Dr. Weisskopf
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-12-06
Filing date: 2003-12-06
Publication date: 2005-07-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Krümmer (2) für eine Abgasanlage, der eine innere Wand (4) und eine äußere Wand (6) umfasst. Hierbei ist die innere Wand (4) durch eine Blechstruktur (8) dargestellt und sie ist durch einen Luftspalt (10) zur äußeren Wand (6) isoliert. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die äußere Wand (6) aus einer auf die Blechstruktur (8) aufgegossenen Gussstruktur (12) besteht. Hierbei sind während des Aufgießens der Gussstruktur (12) Abstandselemente (14) vorgesehen, die nach dem Aufgießen unter Bildung eines Luftspaltes (10) entfernbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Krümmer für eine Abgasanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Krümmers für eine Abgasanlage.
Zur Minimierung der Schadstoffe im Abgas eines Kraftfahrzeuges ist es notwendig, dass der Katalysator möglichst schnell nach einem Kaltstart auf Betriebstemperatur aufgeheizt wird. Dies kann erzielt werden; wenn die entstehende Motorwärme möglichst verlustfrei und direkt vom Motorausgang zum Katalysator befördert wird.
Zwischen dem Motorausgang und dem Katalysator befinden sich in der Regel der sogenannte Krümmer und gegebenenfalls ein Abgasturbolader (ATL). Die abgasführenden Komponenten zwischen dem Motorausgang und dem Katalysator sollten sich demnach schnell aufheizen und dabei keinen Wärmeabfluss zulassen. Andererseits ist es notwendig, den Katalysator vor einer Überhitzung zu schützen. Hierzu sollte eine Wärmeabfuhr im Bereich des Krümmers durch Wärmestrahlung gewährleistet sein.
Es wurde diesbezüglich bereits vorgeschlagen, einen doppelwandigen Krümmer auszugestalten, der durch zwei ineinandergeschachtelte Blechstrukturen dargestellt ist, zwischen denen ein isolierender Luftspalt besteht. Diese Bauweise hat sich jedoch nicht bewähren können, da die Verbindungstechnik zwischen den einzelnen Blechstrukturen aufwendig ist und sich eine feste Verbindung über die Betriebsdauer des Bauteils unter Heißgasbedingungen schwer zu realisieren ist.

In der US 6032633 wird ein Krümmer für einen Außenbordmotor beschrieben, der in Gussbauweise hergestellt ist. Die US 4301775 beschreibt einen Krümmer, der in einem Unterteil aus einem Gussteil besteht und auf den halbschalenförmig ein Oberteil aufgesetzt wird. Die EP 992 674 A2 beschreibt ebenfalls einen zusammengesetzten Krümmer der in Halbschalenbauweise aufgebaut ist. Hierbei bestehen die zusammenzusetzenden Halbschalen aus Blechteilen oder Gussteilen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Abgaskrümmer für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, der gegenüber dem Stand der Technik eine zügigere Aufheizung des Abgaskatalysators gewährleistet. Dabei soll der Krümmer eine höhere Temperaturbelastbarkeit und eine höhere Dauerfestigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Krümmer für eine Abgasanlage nach den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie in einen Verfahren zur Herstellung eines Krümmers mit den Merkmalen des Anspruchs 6.

Der Krümmer nach Anspruch 6 umfasst eine innere und eine äußere Wand, wobei die innere Wand durch eine Blechstruktur dargestellt ist und durch einen Luftspalt zur äußeren Wand isoliert ist. Dabei zeichnet sich der Krümmer dadurch aus, dass die äußere Wand aus einer, auf die Blechstruktur aufgegossenen Gussstruktur besteht. Hierbei sind während des Aufgießens der Gussstruktur Abstandselemente vorgesehen, die die bereits bestehende Blechstruktur von der aufzugießenden Gussstruktur beabstanden. Die Abstandselemente sind nach dem Aufgießen der Gussstruktur aus dem Krümmer entfernbar. Durch das Entfernen der Abstandselemente bildet sich der Luftspalt zwischen der inneren Wand (Blechstruktur) und der äußeren Wand (Gussstruktur) aus.

Durch das Aufgießen der äußeren Wand auf die bereits bestehende Blechstruktur kann eine dichte und dauerhaft stabile Fügefläche an den Berührungsstellen zwischen der inneren und der äußeren Wand geschaffen werden. Diese Fügeflächen befinden sich bevorzugt an den Austrittsöffnungen des Krümmers. Neben der allgemeinen Stabilität des Krümmers, die durch diese feste Fügeflächen gewährleistet wird, wird verhindert, dass Abgas in den Luftspalt zwischen der inneren und der äußeren Wand gerät, was sich negativ auf die Geräuschentwicklung der Abgasanlage auswirken würde.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltungsform besteht die Gussstruktur der äußeren Wand auf der Basis eines Stahlgusses, insbesondere auf der Basis eines Niederdruckstahlgusses, durch den vergleichsweise dünne Wandstärken zwischen 1,5 mm und 3 mm erzielbar sind.

Die Abstandselemente sind zweckmäßigerweise in Form eines verlorenen Kernes ausgestaltet. Unter verlorenem Kern wird hierbei jegliche Art von Abstandselementen verstanden, die nach dem Aufgießen der Gussstruktur auf die Blechstruktur wieder entfernbar sind. Die Abstandselemente können beispielsweise durch Herauslösen mit einem Lösungsmittel, durch Herausbrennen unter Wärmeeinbringung oder durch Herausschmelzen ebenfalls durch Wärmeeinbringung entfernt werden.

Zur Minimierung der Anzahl der Einzelteile und zur Reduzierung der einzelnen Fügeverfahren kann es zweckmäßig sein, die äußere Wand des Krümmers und ein Gehäuse eines Abgasturboladers als eine integrierte Gussstruktur darzustellen. Dabei kann es wiederum zweckmäßig sein, dass das Gehäuse des Abgasturboladers ebenfalls mit einer inneren Wand aus einer Blechstruktur versehen ist. Auf diese Weise wird auch das Gehäuse des Abgasturboladers isoliert, was ebenfalls zur raschen Aufwärmung des Abgaskatalysators auf seine Betriebstemperatur beiträgt.

Eine weitere Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Herstellung eines Krümmers für eine Abgasanlage nach Anspruch 6. Hiernach wird eine Blechstruktur hergestellt, die die Innenkontur beziehungsweise die innere Wand des Krümmers darstellt. Auf diese Blechstruktur werden Abstandselemente in Form eines entfernbaren Kernmaterials aufgebracht. Dieses Kernmaterial bildet im fertigen Zustand den sogenannten verlorenen Kern auf der äußeren Oberfläche der Blechstruktur.

Die Blechstruktur mit dem verlorenen Kern wird in einen Formhohlraum einer Gießform eingelegt. Hierbei ist die Blechstruktur derart positioniert, dass zwischen den Kernmaterial (äußere Oberfläche des verlorenen Kernes) und einer Wand des Formhohlraums ein Zwischenraum besteht. In diesem Zwischenraum wird ein Gießmetall zur Ausbildung einer Gussstruktur in Form einer äußeren Wand des Krümmers gegossen. Anschließend wird der verlorene Kern zur Ausbildung eines Luftspaltes zwischen der Blechstruktur und der Gusstruktur entfernt.

Die Blechstruktur und die Gussstruktur sind in der Regel so ausgestaltet, dass sie insbesondere an den Austrittsöffnungen des Krümmers zusammenlaufen, so dass der Luftspalt einen nahezu geschlossenen Hohlraum umschließt. Es sind jedoch je weils Öffnungen vorgesehen, die zum Entfernen des verlorenen Kernes dienen. Diese können gegebenenfalls nach dem Entfernen des verlorenen Kernes geschlossen werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine dreidimensionale Darstellung eines Krümmers im Schnitt, mit einer inneren und einer äußeren Wand,
2 einen vergrößerten Ausschnitt des Krümmers aus 1 im Bereich einer Gasauslassöffnung,
3 ein integriertes Gussteil eines Krümmers und eines Abgasturboladergehäuses,
4a bis 4c eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung eines Krümmers.
Gleiche Merkmale in unterschiedlichen Ausgestaltungen sind jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch ein Krümmer 2 dargestellt, der in diesem Beispiel 3 motorseitige Öffnungen 11 aufweist, die zusammengeführt werden und das Abgas an einer Abgasauslassöffnung 13 hinausführen. Die motorseitigen Öffnungen 11 stehen mit den Brennräumen der Zylinder in Verbindung. An der Abgasauslassöffnung 13 kann gegebenenfalls ein Abgasturbolader angeflanscht sein.
Der Krümmer in 1 ist in Form einer Schnittdarstellung wiedergegeben, er weist dabei eine innere Wand 4 auf, die in Form einer Blechstruktur 8 ausgestaltet ist. Ferner ist die Blechstruktur 8 von einer äußeren Wand 6, die in Form einer Gussstruktur 12 ausgestaltet ist, umgeben. Die Blechstruktur 8 und die Gussstruktur 12 schließen einen Luftspalt 10 ein. An Fügestellen 7, die bevorzugt an den Öffnungen 11, 13 angeordnet sind, laufen die Blechstruktur 8 und die Gussstruktur 12 zusammen.
Das Zusammenlaufen der Blechstruktur 8 und der Gussstruktur 12 an den Fügestellen 7 ist in 2, die eine vergrößerte Darstellung des Bereiches um die Auslassöffnung 13 aus 1 wiedergibt, detaillierter dargestellt. Hierbei kann die Fügestelle 7 beispielsweise in Form einer stumpfen Fügung der Blechstruktur 8 und der Gussstruktur 12 ausgestaltet sein (siehe oberer Bereich), andererseits kann die Blechstruktur 8, wie an der Fügestelle 7' dargestellt ist, durch die Gussstruktur 12 umgossen sein. Grundsätzlich können auch über die weiteren Längenausdehnung des Krümmers weitere Fügestellen zwischen der Blechstruktur 8 und der Gussstruktur 12 vorgesehen sein, die als Verbindung beziehungsweise zur Stabilisierung zwischen der Blechstruktur 8 und der Gussstruktur 12 dienen.
Ebenfalls kann es zweckmäßig sein, die Blechstruktur 8 im Bereich der Fügestellen 7 mit einer Perforation zu versehen, die durch die Gussstruktur durchdrungen ist und somit eine feste Verbindung darstellt. Zu dem kann es zweckmäßig sein, die Blechstruktur 8 im Bereich der Fügestellen 7 an der Oberfläche aufzurauen, was ebenfalls eine bessere Verbindung zwischen der Gussstruktur 12 und der Blechstruktur 8 bewirkt.
In 3 ist eine integrierte Gussstruktur 20 dargestellt, die sowohl einen Krümmer 2, als auch ein Gehäuse 16 eines Abgasturboladers umfasst. Das Gehäuse 16 des Abgasturboladers ist direkt an die – in 3 nicht sichtbare – Abgasauslassöffnung 13 des Krümmers 2 angegossen. Die integrierte Gussstruktur 20 aus 3 weist ebenfalls eine Blechstruktur 8 auf, die in 3 an den motorseitigen Öffnungen 11 des Krümmers 2 sichtbar sind. Ebenfalls weist die Gussstruktur 20 eine Blechstruktur 18 im Gehäuse 16 des Abgasturboladers auf. Die Blechstrukturen 8 und 18 können durch ein Umformteil oder mehrere Umformteile dargestellt sein.
In den 4a, 4b und 4c wird schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Krümmers 2 mit einer Blechstruktur 8 und einer Gussstruktur 12 dargestellt. Die Blechstruktur 8 aus 4a wird nach einem herkömmlichen Verfahren hergestellt. Hierbei kann beispielsweise das Zusammensetzen von zwei Blechhalbschalen angewendet werden. Anschließend wird die Blechstruktur 8 mit einem Kernmaterial 24 versehen, das auf einer äußeren Oberfläche 9 der Blechstruktur aufgebracht wird. In seiner Gesamtheit bildet das Kernmaterial 24 einen verlorenen Kern 15.
Bei dem Aufbringen des verlorenen Kernes 15 können grundsätzlich alle Verfahren angewendet werden, die zur Darstellung von dreidimensionalen Strukturen geeignet sind. Beispielsweise kann der Kern durch eine Schlickertechnik aufgebracht werden. Der Kern kann aber auch an sich gepresst werden und ebenfalls in ein oder mehreren Teilen um die Blechstruktur 8 herum angeordnet werden. Es eignet sich für die Verwendung insbesondere Kerne, die bereits aus der Gießereitechnik bekannt sind. Grundsätzlich ist es zweckmäßig, dass der Kern 15 der Temperaturbelastung beim Aufgießen der Gussstruktur 12 Stand hält. Hierbei kann der Kern 15 somit auf Basis eines Kernsandes bestehen, der in üblicher Weise gebunden ist oder gepresst ist oder in Form eines metallischen Kernes ausgestaltet sein, wobei das Metall einen niedrigen Schmelzpunkt als das Metall der Gussstruktur 12 aufweisen muss.
Im vorliegenden Beispiel wird ein Kernmaterial 24 in Form eines Kernsandes durch eine Schlickertechnik auf die Blechstruktur 8 aufgebracht. Das Kernmaterial 24 härtet nach einem Trocknungsprozess zum verlorenen Kern 15 aus, der nun auf der Oberfläche 9 der Blechstruktur 8 angeordnet ist. Die Blechstruktur 8 mit dem verlorenen Kern 15 wird nun in einen Formhohlraum 28 einer Gießform 30 eingelegt. Bei der Gießform 30 handelt es sich um eine Sandgießform.
Im Formhohlraum 28 sind – hier nicht dargestellte – Mittel vorgesehen, die eine Positionierung der Blechstruktur 8 mit dem Kern 15 in der Art gewährleisten, dass zu einer Wand 32 des Formhohlraums 28 ein kontinuierlicher Zwischenraum bestehen bleibt. Anschließend wird das Gießmetall 36 durch ein – hier nicht näher dargestelltes – Niederdruckgussverfahren in den Formhohlraum 28 beziehungsweise in den freien Zwischenraum 34 eingegossen.
Das Gießmetall 36 erstart im Zwischenraum 34 zur Gussstruktur 12. Anschließend wird das so erhaltene Bauteil (Krümmer 2) aus der Gießform 30 entfernt und das Kernmaterial 24 durch einen Spülprozess mit einem flüssigen Medium, insbesondere mit Wasser aus dem Zwischenraum 34 entfernt. Hierzu sind – hier nicht näher dargestellte – Öffnungen zwischen der Gussstruktur 12 und der Blechstruktur 8 vorgesehen. Diese Öffnungen können gegebenenfalls anschließend durch ein Verschlusselement verschlossen werden oder zugeschweißt werden.
Nach dem Entfernen des Kernmaterials 24 aus dem Zwischenraum 34 bildet sich in diesem Bereich der Luftspalt 10 aus.

Claims

Krümmer (2) für eine Abgasanlage, umfassend eine innere Wand (4) und eine äußere Wand (6), wobei die innere Wand (4) durch eine Blechstruktur (8) dargestellt ist und durch einen Luftspalt (10) zur äußeren Wand (6) isoliert ist, dadurch gekennzeichnet • dass die äußere Wand (6) aus einer, auf die Blechstruktur (8) aufgegossen Gussstruktur (12) besteht, • wobei während des Aufgießens der Gussstruktur (12) Abstandselemente (14, 15) vorgesehen sind, • die nach dem Aufgießen unter Bildung des Luftspaltes (10) entfernbar sind.
Krümmer für eine Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass das Aufgießen der Gussstruktur (12) im Niederdruckstahlguss erfolgt.
Krümmer für eine Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet dass die Abstandselemente (14, 15) in Form eines verlorenen Kerns (15) ausgestaltet sind
Krümmer für eine Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass die äußere Wand (6) des Krümmers (2) und ein Gehäuse (16) eines Abgasturboladers als eine integriertes Gussstruktur (20) dargestellt sind.
Krümmer für eine Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass das Gehäuse (16) des Abgasturboladers ebenfalls mit einer inneren Wand (4) aus einer Blechstruktur (8) versehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Krümmers für eine Abgasanlage, umfassend Folgende Schritte: • Herstellung einer Blechstruktur (8) mit der Innenkontur des Krümmers (2), • Aufbringen von Abstandselementen (14, 15) in Form eines verlorenen Kerns (15) auf eine äußere Oberfläche (9) der Blechstruktur (8), • Einlegen der Blechstruktur (8) mit verlorenen Kern (15) in einen Formhohlraum (28) einer Gießform (30), • Umgießen der Blechstruktur (8) und des verlorenen Kerns (15), mit Gießmetall (36) zur Ausbildung einer Gusstruktur (12) in Form einer äußeren Wand (6) des Krümmers (2) und • anschließend Entfernen des verlorenen Kerns (15) zur Ausbildung eines Luftspaltes (10) zwischen der, eine innere Wand (4) bildenden Blechstruktur (8) und der, die äußere Wand (6) bildenden Gusstruktur (12).