DE19511800A1 - Azylindrisches Blechbauteil einer Kraftfahrzeug-Abgasanlage sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein azylindrisches Blechbauteil einer Kraftfahrzeug-Abgasanlage sowie ein Verfahren zu seiner Her­ stellung, mit Außenwand und Innenwand sowie einem Luftspalt oder einer Faserisolation zwischen Außenwand und Innenwand, wobei das Blechbauteil einen abgasdurchströmten Innenraum aufweist.

Bei Thermoschockbelastung von doppelwandigen Blechbauteilen einer Kraftfahrzeug-Abgasanlage verformen sich infolge der geringen Hochtemperaturfestigkeit eingespannte Bauteile in­ folge der Wärmeausdehnung. Bei geradlinigen zylindrischen Bauteilen, wie Rohren, kann durch einseitige axiale Einspan­ nung und Verschiebemöglichkeit auf der anderen Seite des Rohres eine axiale Verspannung abgebaut werden. Bei azylin­ drischen Blechbauteilen der eingangs genannten Art hingegen führt eine Einspannung zu unkontrollierten Verformungen in­ folge der behinderten Wärmeausdehnung im Betrieb. Es entste­ hen Temperaturdifferenzen von bis zu 900°C zwischen der kal­ ten Außenwand eines Blechbauteils und der im Betrieb der Ab­ gasanlage sehr heißen Innenwand. Die Innenwand ist deshalb erhöhter undefinierter Beulenbildung ausgesetzt, insbesonde­ re größere ebenen Wände bei geometrisch komplizierten Gebil­ den. Ebene Flächen können einmal bei Thermoschockbelastung auf der einen Seite, das andere Mal mit Richtungswechsel auf der anderen Seite "ausbrechen". Bei weiterer Thermoschockbe­ lastung entstehen oft scharfkantige Übergänge zu Beulen und Falten mit anschließendem Bruch an dieser Stelle.

Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein azylindrisches Blechbauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau ver­ gleichsweise wenig schadensanfällig im Betrieb ist und einem geringen Verschleiß unterliegt.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch ein Blechbauteil der im Anspruch 1 angegebenen Art.

Vorteilhaft weitergebildet wird der Erfindungsgegenstand durch ein Blechbauteil sowie ein Verfahren zu dessen Herstel­ lung nach den Ansprüchen 2 bis 9.

Wesen der Erfindung ist, in temperaturbelasteten Bereichen einer (heißen/kalten) Innenwand des abgasdurchströmten Blech­ bauteils, deren Umfang sich stärker ausdehnt als der der (kalten) Außenwand, eine integrierte "weiche" Gestaltung vorzusehen, um einen Spannungsabbau durch definierte räum­ liche Umleitung der Verformungen zu erzielen. Die "weiche" Gestaltung sind insbesondere flächige, konvex (oder konkav) gewölbte Wärmespannungs-Ausgleichszonen, deren Randbereiche zur restlichen Innenwand stetige Übergänge mit vergleichswei­ se großen Radien besitzt. Sind Umfangsflansche am strömungs­ aufwärtigen und/oder am strömungsabwärtigen Ende vorgesehen, so besitzen auch diese vergleichsweise große Anschlußradien zur Innenwand mit konvexer Auswölbung nach innen oder außen.

Bevorzugt werden ebene Flächen einer Innenwand vermieden, beispielsweise dadurch, daß ein schiefer Abgastrichter im Querschnitt Halbkugelform besitzt, oder es werden in den ebenen Flächen definierte Wärmespannungs-Ausgleichszonen vor­ gesehen, bevorzugt auf einer Seite, so daß undefinierte Richtungswechsel eines Ausbrechens von temperaturbelasteten Bauteilen vermieden werden, ebenso Faltenbildungen, d. h. scharfkantige Übergänge, mit nachfolgendem Bruch nach weite­ ren thermischen Lastwechseln.

Bei Abgastrichtern können beispielsweise im im wesentlichen konischen Innenwandbereich insbesondere vier Wärmespannungs- Ausgleichszonen in Form von Ausbauchungen vorgesehen sein, die in Draufsicht Ovalform besitzen, wobei die Längsachse des Ovals in Richtung einer Mantellinie der "konischen" In­ nenwand verläuft. Vorgenannte vier Ausbauchungen sind auf dem Umfang des Trichters im wesentlichen mit gleichem Ab­ stand verteilt angeordnet. Ist der Abgastrichter asymme­ trisch aufgebaut, d. h. sind unterschiedlich lange Mantelli­ nien vorgesehen, so sind zwei dieser vier Ausbauchungen im Bereich langer Mantellinien vergleichsweise groß und im we­ sentlichen gleich ausgebildet, während die anderen beiden ebenfalls gleich ausgebildeten Ausbauchungen auf den kürze­ ren Mantellinien kleinere Abmessungen in Ovalform besitzen. Die Ausbauchungen verlaufen konvex nach innen (oder bei pa­ ralleler Ausbauchung der Außenwand mit konstanter Isolier­ spaltbildung auch konvex nach außen), wobei sichergestellt ist, daß bei Thermoschockbelastung eine unbehinderte Mate­ rialentspannung nach innen (oder nach außen) möglich und die Isolationswirkung der Doppelwand nicht beeinträchtigt ist, z. B. durch Verringerung des Luftspaltes, durch Kontaktberüh­ rung der Ausbauchung mit der Außenwand oder durch unzulässi­ ge Materialpressung eines Isolationsmaterials, sofern anstel­ le des Luftspaltes vorhanden. Bei einer Ausbauchung der In­ nenwand konvex nach innen ergibt sich der zusätzliche Vor­ teil eines verbesserten Leiteffekts für die Strömung (Ausein­ anderziehen des Strahles im Trichter, bessere Geschwindig­ keitsverteilung).

Insbesondere ist vorgesehen, in der Innenwand zumindest eine Entlüftungsbohrung vorzusehen, die einen Druckausgleich zwi­ schen Außenwand und Innenwand im Betrieb eines Blechbauteils herstellt. Durch die Entlüftung nach innen wird bei trotz aller Maßnahmen auftretenden Rissen im Innentrichter immer die Dichtigkeit der Abgasanlage nach außen gewährleistet, auch wenn Isolationsmaterial ausgeblasen wird (gegenüber Ent­ lüftung nach außen keine Verstopfungsgefahr der Entlüftungs­ bohrung durch Korrosion oder Verschmutzung, kein Eindringen von Feuchtigkeit, Schmutz oder Salz, keine Beeinträchtigung der Isolation, kein Systemausfall, keine Fremdluft, λ-Wert ändert sich nicht). Eine absolute Dichtigkeit des Innentrich­ ters ist nicht erforderlich.

Die vorgegebene, d. h. definierte flächige gewölbte Wärmespan­ nungs-Ausgleichszone der Innenwand wird nach einem bevorzug­ ten erfindungsgemäßen Verfahren örtlich, größen- und form­ mäßig dadurch festgelegt, daß Schadensbilder individueller Blechbauteile angezogen werden, die im Versuch oder in der Praxis eines Kraftfahrzeugbetriebes Thermoschockbelastungen erfahren haben. Die Schadensbilder sind bevorzugt Rißstruk­ turen, Faltenbildungen und (undefinierte) Fehlbeulenbildun­ gen an irgendeiner Stelle der Innenwand des Blechbauteiles, welche Korrekturindikatoren sind, um ein individuelles Blech­ bauteil im Hinblick auf Ausgleich von Wärmespannungen zu op­ timieren. Die Optimierung eines Blechbauteils erfolgt bevor­ zugt schrittweise aufgrund mehrerer Schadensbilder, wobei versucht wird, jedes entstehende Schadensbild durch Korrek­ turmaßnahmen weiter zu reduzieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein Blechbauteil eines Abgasanlage in einem Axial­ schnitt, bestehend aus zwei Abgastrichtern mit zwischengeordnetem Zylinderstück,

Fig. 2 der in Fig. 1 rechts veranschaulichte asymmetrische Abgastrichter in vergrößerter Schnittdarstellung mit zusätzlicher Darstellung der Außenwand und Faseriso­ lation zwischen Außen- und Innenwand,

Fig. 3 einen mittigen Vertikalschnitt durch den Abgastrich­ ter nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch den Abgastrichter nach Fig. 2 längs der Linie B-B,

Fig. 5 einen Schnitt durch den Abgastrichter nach Fig. 2 längs der Linie C-C,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie D-D der Fig. 5,

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie F-F der Fig. 2,

Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie G-G der Fig. 7,

Fig. 9 einen schematischen Vertikalschnitt durch einen schiefen Abgastrichter, und

Fig. 10 eine Querschnittsansicht längs der Linie A-A der Fig. 9.

Gemäß Fig. 1 ist ein Blechbauteil einer Kraftfahrzeug-Abgas­ anlage in Form eines im Querschnitt ovalen Abgastopfes vor­ gesehen, bestehend aus einem strömungsaufwärtigen symmetri­ schen Abgastrichter 19 und einem strömungsabwärtigen asymme­ trischen Abgastrichter 20 auf der rechten Seite sowie einem zwischengeordneten zylindrischen Mittelstück 21, welches end­ seitig an benachbarten Umfangsflanschen 8 der Abgastrichter 19 und 20 in abgedichteter Weise befestigt ist.

Der Abgastopf ist insgesamt doppelwandig aufgebaut und be­ sitzt eine Außenwand 2 sowie eine Innenwand 3 mit zwischen­ geordneter Faserisolation 14 oder einem Luftspalt 4. Der Luftspalt 4 bzw. die Faserisolation 14 sowie die Außenwand 2 ist beim asymmetrischen Abgastrichter 20 der Fig. 1 nicht dargestellt, jedoch in der größeren Darstellung dieses Trichters gemäß Fig. 2, der nachfolgend im einzelnen anhand der Fig. 2 bis 8 beschrieben wird.

Der asymmetrische Abgastrichter 20 gemäß den Fig. 2 bis 8 weist planparallele stirnseitige Öffnungsenden auf, wobei Umfangsflansch 8 und Austrittsstutzen 15 integrierter Be­ standteil der Innenwand 3 des Abgastrichters 20 und im Übergang zum in etwa konisch verlaufenden Mantelbereich des Trichters vergleichsweise große Anschlußradien R₂ mit Kon­ vexität in Richtung Innenraum 5 vorgesehen sind.

In der Innenwand 3 sind umfangsmäßig gleich verteilt vier definierte, durch Versuch vorermittelte, flächige, konvex nach innen gewölbte Wärmespannungs-Ausgleichszonen 6 vorge­ sehen, deren Randbereich 7 stetige Übergänge R₁ zum Rest der Innenwand 3 besitzt. Sämtliche Wärmespannungs-Ausgleichs­ zonen 6 sind in Draufsicht ovalförmig, wie dies insbesondere den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist. Sie sind zwei im wesent­ lichen gleich ausgebildete kleinere Ausbauchungen 11 und zwei im wesentlichen gleich ausgebildete größere Ausbauchun­ gen 12 mit einer Längsachse 9 des Ovals in Richtung jeweils einer Mantellinie der im wesentlichen konischen Innenwand.

Ersichtlich ist die Gesamtkonstruktion des asymmetrischen Abgastrichters 20 so getroffen, daß sämtliche Innenwand­ bereiche (sowie Außenwandbereiche) keine ebenen Flächen ent­ halten und bei den einzelnen definierten Wärmespannungs-Aus­ gleichszonen 6 stetige Übergangsbereiche vorgesehen sind, die grundsätzlich nach innen in Richtung des Innenraums 5 konvex ausgebaucht sind, um eine definierte Verformungsrich­ tung vorzugeben.

Die Vorgabe der Verformungsrichtung, der Ort, die Größe und die Form der einzelnen Wärmespannungs-Ausgleichszonen 6 werden aus einzelnen Schadensbildern ermittelt, welche bei individuellen doppelwandigen Blechbauteilen im Versuch oder im praktischen Betrieb eines Kraftfahrzeugs entstehen. Scha­ densbilder sind z. B. Faltenbildungen und undefinierte Fehl­ beulenausbildungen sowie im Extremfall Rißstrukturen, die aufgrund übermäßiger thermischer Beanspruchung entstanden sind. Je nach örtlicher Lage einer Falte oder eines Risses werden dann erfindungsgemäß thermisch belastbare verformbare Weichstellen in Form von Wärmespannungs-Ausgleichszonen 6 geschaffen. Sind die geschaffenen Wärmespannungs-Ausgleichs­ zonen 6 noch nicht optimal, d. h. mit weiteren Schadensbil­ dern verbunden, was z. B. durch weitere Versuche oder einen weiteren praktischen Betrieb des Blechbauteils festgestellt werden kann, werden entsprechend den neuerlichen Schadens­ bildern weitere Korrekturmaßnahmen bei den Weichzonen der Innenwand 3 getroffen.

Das in den Fig. 9 und 10 veranschaulichte Ausführungsbei­ spiel eines schiefen Abgastrichters 22 sieht in seiner opti­ mierten Form bezüglich des durchströmten Innenraums konvexe und konkave Wärmespannungs-Ausgleichszonen 6 vor. Im Bereich der Schnittlinie A-A ist er halbkugelförmig ausgebildet, um zusätzlich Wärmespannungen auszugleichen. Bekannte vergleich­ bare schiefe Abgastrichter oder -rohrstutzen besitzen an die­ ser Stelle des längeren Mantelbereiches 23 hingegen exakte Konizität oder plane Flächen.

Es sei noch angemerkt, daß in den Unteransprüchen enthaltene selbständig schutzfähige Merkmale trotz der vorgenommenen formalen Rückbeziehung auf den Hauptanspruch entsprechenden eigenständigen Schutz haben sollen. Im übrigen fallen sämt­ liche in den gesamten Anmeldungsunterlagen enthaltenen erfin­ derischen Merkmale in den Schutzumfang der Erfindung.

Claims (9)

1. Azylindrisches Blechbauteil (1) einer Kraftfahrzeug- Abgasanlage, mit Außenwand (2) und Innenwand (3) sowie einem Luftspalt (4) oder einer Faserisolation (14) zwischen Außenwand (2) und Innenwand (3), wobei das Blechbauteil einen abgasdurchströmten Innenraum (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (3) mit zumindest einer vorgegebenen, flächigen, gewölbten Wärmespannungs-Ausgleichszone ausge­ bildet ist, deren Randbereich (7) zur restlichen Innen­ wand (3) stetige Übergänge (R₁) besitzt.

2. Blechbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stromaufwärtige und/oder das stromabwärtige Ende der Innenwand (3) mit einem Umfangsflansch (8) ausgebil­ det ist, der bezüglich des Innenraums (5) konvexe oder konkave Anschlußradien (R₂) zur restlichen Innenwand (3) besitzt.

3. Blechbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespannungs-Ausgleichszone (6) in einer ebe­ nen Fläche der Innenwand (3) oder anstelle einer ebenen Fläche der Innenwand vorgesehen ist.

4. Blechbauteil nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechbauteil ein Abgastrichter mit zumindest zwei Wärmespannungs-Ausgleichszonen (6) ist, welche in Draufsicht ovale Ausbauchungen sind, deren Längsachsen (9) in Richtung von Mantellinien des im wesentlichen konischen Abgastrichters verlaufen.

5. Blechbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechbauteil ein asymmetrischer Abgastrichter (20) ist, dessen Strömungseingangsende parallel zum Strömungsausgangsende verläuft, wobei zwei im wesent­ lichen gleich ausgebildete kleinere Ausbauchungen (11) und zwei im wesentlichen gleich ausgebildete größere Aus­ bauchungen (12) vorgesehen und sämtliche vier Ausbauchun­ gen (11, 12) auf dem Umfang im wesentlichen gleich ver­ teilt sind (Fig. 1 bis 8).

6. Blechbauteil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechbauteil ein schiefer Abgastrichter (22) ist, dessen Strömungseingangsende schief zum Strömungs­ ausgangsende verläuft, wobei der längere Mantelbereich (23) des Abgastrichters im wesentlichen halbkugelförmig ausgebeult ist (Fig. 9, 10).

7. Blechbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (3) zumindest eine Entlüftungsbohrung (13) aufweist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespannungs-Ausgleichszonen (6) örtlich, größenmäßig und formmäßig aufgrund von Schadensbildern festgelegt werden, welche im Versuch bei einem indivi­ duellen Blechbauteil entstehen, wobei Rißstrukturen, Faltenbildungen und Fehlbeulenbildungen Korrekturindi­ katoren sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechbauteil (1) in mehreren Schritten aufgrund verbesserter Schadensbilder entwickelt wird.