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Die
Erfindung betrifft ein abgasdurchströmtes, doppelwandiges Blechbauteil
einer Kraftfahrzeug-Abgasanlage nach dem Oberbegriff von Anspruch
1 sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung nach den Ansprüchen 8 und
9.
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Bei
Thermoschockbelastung von doppelwandigen Blechbauteilen einer Kraftfahrzeug-Abgasanlage
verformen sich infolge der geringen Hochtemperaturfestigkeit eingespannte
Bauteile infolge der Wärmeausdehnung.
Bei geradlinigen zylindrischen Bauteilen, wie Rohren, kann durch
einseitige axiale Einspannung und Verschiebemöglichkeit auf der anderen Seite
des Rohres eine axiale Verspannung abgebaut werden. Bei azylindrischen
Blechbauteilen hingegen führt
eine Einspannung zu unkontrollierten Verformungen infolge der behinderten
Wärmeausdehnung
im Betrieb. Es entstehen Temperaturdifferenzen von bis zu 900°C zwischen
der kalten Außenwand
eines Blechbauteils und der im Betrieb der Abgasanlage sehr heißen Innenwand.
Die Innenwand ist deshalb erhöhter
undefinierter Beulenbildung ausgesetzt, insbesondere größere ebenen
Wände bei geometrisch
komplizierten Gebilden. Ebene Flächen können einmal
bei Thermoschockbelastung auf der einen Seite, das andere Mal mit
Richtungswechsel auf der anderen Seite "ausbrechen". Bei weiterer Thermoschockbelastung
entstehen oft scharfkantige Übergänge zu Beulen
und Falten mit anschließendem
Bruch an dieser Stelle.
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Aus
der DE-OS 29 27 758 ist ein gattungsgemäßes Blechbauteil einer Kraftfahrzeug-Abgasanlage
bekannt.
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Der
durch die
DE 39 26
072 A1 offenbarte Katalysator weist an seiner Innenwand
flächige,
gewölbte,
lokale und nachgiebige Wärmespannungsausgleichszonen
auf, welche unstetige Übergänge zur
restlichen Innenumfangswand haben.
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Die
DE 38 35 841 C2 betrifft
einen Abgaskonverter mit einem Einlauftrichter, der zur Versteifung
gegen Wärmedehnungen
eine nach innen gerichtete Sicke und Versteifungsrippen aufweist.
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Die
DE 30 07 868 C2 offenbart
ein Abgasanlagenbauteil mit zwei Katalysatorelementen in einem Metallgehäuse, wobei
die Katalysatorelemente von einer Maschendrahthülse und bereichsweise von einer
Blähmatte
umgeben sind und wobei das Metallgehäuse durch Rippen gegen Wärmedehnungen versteift
ist, um einem temperaturbedingten Anschwellen der Blähmatte Widerstand
entgegensetzen zu können.
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Ausgehend
vom vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung,
ein Blechbauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei
einfachem Aufbau vergleichsweise wenig schadensanfällig im
Betrieb ist und einem geringen Verschleiß unterliegt.
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Gelöst wird
die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch ein Blechbauteil
der im Anspruch 1 angegebenen Art.
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Vorteilhaft
weitergebildet wird der Erfindungsgegenstand durch ein Blechbauteil
sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach den Ansprüchen 2 bis
9.
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Wesen
der Erfindung ist, in temperaturbelasteten Bereichen einer (heißen/kalten)
Innenwand des abgasdurchströmten
Blechbauteils, deren Umfang sich stärker ausdehnt als der der (kalten)
Außenwand,
eine integrierte "weiche" Gestaltung vorzusehen,
um einen Spannungsabbau durch definierte räumliche 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
vergleichsweise großen
Radien besitzt. Sind Umfangsflansche am strömungsaufwärtigen und/oder am strömungsabwärtigen Ende
vorgesehen, so besitzen auch diese vergleichsweise große Anschlußradien zur
Innenwand mit konvexer Auswölbung
nach innen oder außen.
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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
vorgesehen, 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 weiteren thermischen Lastwechseln.
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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" Innenwand verläuft. Vorgenannte vier Ausbauchungen
sind auf dem Umfang des Trichters im wesentlichen mit gleichem Abstand
verteilt angeordnet. Ist der Abgastrichter asymmetrisch aufgebaut, d.h.
sind unterschiedlich lange Mantellinien vorgesehen, so sind zwei
dieser vier Ausbauchungen im Bereich langer Mantellinien vergleichsweise
groß und im
wesentlichen gleich ausgebildet, während die anderen beiden ebenfalls
gleich ausgebildeten Ausbauchungen auf den kürzeren Mantellinien kleinere
Abmessungen in Ovalform besitzen. Die Ausbauchungen verlaufen konvex
nach innen (oder bei paralleler Ausbauchung der Außenwand
mit konstanter Isolierspaltbildung auch konvex nach außen), wobei
sichergestellt ist, daß bei
Thermoschockbelastung eine unbehinderte Materialentspannung nach
innen (oder nach außen)
möglich
und die Isolationswirkung der Doppelwand nicht beeinträchtigt ist,
z.B. durch Verringerung des Luftspaltes, durch Kontaktberührung der
Ausbauchung mit der Außenwand
oder durch unzulässige
Materialpressung eines Isolationsmaterials, sofern anstelle des
Luftspaltes vorhanden. Bei einer Ausbauchung der Innenwand konvex
nach innen ergibt sich der zusätzliche
Vorteil eines verbesserten Leiteffekts für die Strömung (Auseinanderziehen des
Strahles im Trichter, bessere Geschwindigkeitsverteilung).
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Insbesondere
ist vorgesehen, in der Innenwand zumindest eine Entlüftungsbohrung
vorzusehen, die einen Druckausgleich zwischen Außenwand und Innenwand im Betrieb
eines Blechbauteils herstellt. Durch die Entlüftung nach innen wird bei trotz aller
Maßnahmen
auftretenden Rissen im Innentrichter immmer die Dichtigkeit der
Abgasanlage nach außen
gewährleistet,
auch wenn Isolationsmaterial ausgeblasen wird (gegenüber Entlüftung 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 Innentrichters ist nicht erforderlich.
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Die
vorgegebene, d.h. definierte flächige
gewölbte
Wärmespannungs-Ausgleichszone
der Innenwand wird nach einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren örtlich,
größen- und
formmäßig dadurch
festgelegt, daß Schadensbilder
individueller Blechbauteile angezogen werden, die im Versuch oder
in der Praxis eines Kraftfahrzeugbetriebes Thermoschockbelastungen
erfahren haben. Die Schadensbilder sind bevorzugt Rißstrukturen,
Faltenbildungen und (undefinierte) Fehlbeulenbildungen an irgendeiner
Stelle der Innenwand des Blechbauteiles, welche Korrekturindikatoren
sind, um ein individuelles Blechbauteil im Hinblick auf Ausgleich
von Wärmespannungen
zu optimieren. Die Optimierung eines Blechbauteils erfolgt bevorzugt
schrittweise aufgrund mehrerer Schadensbilder, wobei versucht wird,
jedes entstehende Schadensbild durch Korrekturmaßnahmen weiter zu reduzieren.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügte
Zeichnung näher
erläutert;
es zeigen:
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1 ein
Blechbauteil eines Abgasanlage in einem Axialschnitt, bestehend
aus zwei Abgastrichtern mit zwischengeordnetem Zylinderstück,
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2 der
in 1 rechts veranschaulichte asymmetrische Abgastrichter
in vergrößerter Schnittdarstellung
mit zusätzlicher
Darstellung der Außenwand
und Faserisolation zwischen Außen-
und Innenwand,
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3 einen
mittigen Vertikalschnitt durch den Abgastrichter nach 2,
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4 einen
Schnitt durch den Abgastrichter nach 2 längs der
Linie B-B,
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5 einen
Schnitt durch den Abgastrichter nach 2 längs der
Linie C-C,
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6 einen
Schnitt längs
der Linie D-D der 5,
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7 einen
Schnitt längs
der Linie F-F der 2,
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8 einen
Schnitt längs
der Linie G-G der 7,
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9 einen
schematischen Vertikalschnitt durch einen schiefen Abgastrichter,
und
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10 eine
Querschnittsansicht längs
der Linie A-A der 9.
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Gemäß 1 ist
ein Blechbauteil einer Kraftfahrzeug Abgasanlage in Form eines im
Querschnitt ovalen Abgastopfes 1 vorgesehen, bestehend
aus einem strömungsaufwärtigen symmetrischen
Abgastrichter 19 und einem strömungsabwärtigen asymmetrischen Abgastrichter 20 auf
der rechten Seite sowie einem zwischengeordneten zylindrischen Mittelstück 21,
welches endseitig an benachbarten Umfangsflanschen 8 der
Abgastrichter 19 und 20 in abgedichteter Weise
befestigt ist.
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Der
Abgastopf ist insgesamt doppelwandig aufgebaut und besitzt eine
Außenwand 2 sowie
eine Innenwand 3 mit zwischengeordneter Faserisolation 14 oder
einem Luftspalt 4. Der Luftspalt 4 bzw. die Faserisolation 14 sowie
die Außenwand 2 ist
beim asymmetrischen Abgastrichter 20 der 1 nicht dargestellt,
jedoch in der größeren Darstellung
dieses Trichters gemäß 2,
der nachfolgend im einzelnen anhand der 2 bis 8 beschrieben
wird.
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Der
asymmetrische Abgastrichter 20 gemäß den 2 bis 8 weist
planparallele stirnseitige Öffnungsenden
auf, wobei Umfangsflansch 8 und Austrittsstutzen 15 integrierter
Bestandteil der Innenwand 3 des Abgastrichters 20 und
im Übergang
zum in etwa konisch verlaufenden Mantelbereich des Trichters vergleichsweise
große
Anschlußradien
R2 mit Konvexität in Richtung Innenraum 5 vorgesehen sind.
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In
der Innenwand 3 sind umfangsmäßig gleich verteilt vier definierte,
durch Versuch vorermittelte, flächige,
konvex nach innen gewölbte
Wärmespannungs-Ausgleichszonen 6 vorgesehen,
deren Randbereich 7 stetige Übergänge R1 zum
Rest der Innenwand 3 besitzt. Sämtliche Wärmespannungs-Ausgleichszonen 6 sind
in Draufsicht ovalförmig,
wie dies insbesondere den 1 und 2 zu entnehmen
ist. Sie sind zwei im wesentlichen gleich ausgebildete kleinere
Ausbauchungen 11 und zwei im wesentlichen gleich ausgebildete
größere Ausbauchungen 12 mit
einer Längsachse 9 des
Ovals in Richtung jeweils einer Mantellinie der im wesentlichen
konischen Innenwand.
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Ersichtlich
ist die Gesamtkonstruktion des asymmetrischen Abgastrichters 20 so
getroffen, daß sämtliche
Innenwandbereiche (sowie Außenwandbereiche)
keine ebenen Flächen
enthalten und bei den einzelnen definierten Wärmespannungs-Ausgleichszonen 6 stetige Übergangsbereiche
vorgesehen sind, die grundsätzlich
nach innen in Richtung des Innenraums 5 konvex ausgebaucht
sind, um eine definierte Verformungsrichtung vorzugeben.
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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. Schadensbilder sind z.B. Faltenbildungen
und undefinierte Fehlbeulenausbildungen 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-Ausgleichszonen 6 noch
nicht optimal, d.h. mit weiteren Schadensbildern verbunden, was
z.B. durch weitere Versuche oder einen weiteren praktischen Betrieb
des Blechbauteils festgestellt werden kann, werden entsprechend
den neuerlichen Schadensbildern weitere Korrekturmaßnahmen
bei den Weichzonen der Innenwand 3 getroffen.
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Das
in den 9 und 10 veranschaulichte Ausführungsbeispiel
eines schiefen Abgastrichters 22 sieht in seiner optimierten
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 vergleichbare schiefe Abgastrichter oder
-rohrstutzen besitzen an dieser Stelle des längeren Mantelbereiches 23 hingegen
exakte Konizität
oder plane Flächen.
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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 sämtliche
in den gesamten Anmeldungsunterlagen enthaltenen erfinderischen
Merkmale in den Schutzumfang der Erfindung.