DE19536124A1 - Abgaskrümmer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer für eine Abgasanla­ ge eines Verbrennungsmotors mit einem die Innenseite des Krümmers bildenden Rohr mit mindestens einem Anschlußstück zur Verbindung mit mindestens einem Brennraum des Verbren­ nungsmotors und mit einer um das Rohr herum angeordneten Wär­ medämmschicht.

Abgaskrümmer dieser Art beinhalten in den allermeisten Fällen ein als Verzweigungs- oder Sammelrohr ausgebildetes Rohr mit einer Mehrzahl von Anschlußstücken zur Verbindung mit einer Mehrzahl an Brennräumen des Verbrennungsmotors.

Die allgemein üblichen Abgaskrümmer werden als massive Guß­ bauteile hergestellt. Diese Gußbauteile werden im Betrieb des Motors ziemlich heiß und strahlen Wärme in den Motorraum ab.

Ein weiteres Problem des massiven Gußbauteils als Abgaskrüm­ mer liegt darin, daß dieses Bauteil eine relativ hohe Wärme­ kapazität aufweist, so daß insbesondere beim Motorstart das Gußbauteil das Abgas über einen längeren Zeitraum sehr stark abkühlt. In dieser Zeit weist das Abgas eine zu niedrige Tem­ peratur auf, um den Abgaskatalysator innerhalb kürzerer Zeit funktionsfähig, d. h. auf die notwendige Betriebstemperatur aufheizen zu können. Der Wärmeverlust der gesamten Abgasanla­ ge bis zum Katalysator ist vor allem bei Motoren mit niedri­ gem Verbrauch auch im Normalbetrieb oft so groß daß bei niedrigen Motordrehzahlen, beispielsweise im Leerlauf, keine ausreichend hohe Temperatur im Abgaskatalysator aufrechter­ halten werden kann, so daß die Reinigungsleistung des Kataly­ sators bei solchen Betriebsbedingungen rapide abfällt.

Den ungenügend hohen Temperaturen im Abgaskatalysator wird teilweise dadurch zu begegnen gesucht, daß man den Abgaskata­ lysator mit einer elektrisch betriebenen oder mit Verbrennung von Kraftstoffen arbeitenden Heizvorrichtung versieht, welche insbesondere in der Anfahrphase den Katalysator schnell auf Betriebstemperatur bringen soll. Dies erhöht den Steuerungs­ aufwand in der Katalysatoranlage nicht unbeträchtlich. Dar­ überhinaus liegen die Fertigungskosten solcher Katalysatoren auch deutlich über denen der unbeheizten.

Um dem Problem der zu hohen Wärmeabstrahlung entgegenzuwir­ ken, wurde ein doppelschaliger Abgaskrümmer entwickelt, wel­ cher aus zwei dünnwandigen Stahlrohren mit einem dazwischen eingeschlossenen Luftspalt besteht. Alternativ kann dieser Luftspalt auch mit einem Isolationsmaterial gefüllt sein.

Die Wärmekapazität dieses Abgaskrümmers ist durch die Verrin­ gerung der metallischen Masse reduziert, wobei allerdings der Krümmer in der Fertigung sehr teuer und darüberhinaus sehr kompliziert herzustellen ist. Weiterhin ist die Isolations­ wirkung der doppelschaligen Abgaskrümmer in vielen Anwen­ dungsfällen nicht ausreichend.

Eine ähnliche Lösung ist aus der DE-24 03 998-A1 bekannt, bei der auf das Stahlrohr eines Abgaskrümmers eine Wärmedämm­ schicht aufgebracht wird, die wiederum mit einem Gehäuse ab­ gedeckt wird. Ziel dieser Ausgestaltung des Abgaskrümmers ist, die Wärmeabstrahlung und die Geräuschbildung im Motor­ raum zu reduzieren, d. h. letztendlich, den Abgaskrümmer zu kapseln. Die Wärmedämmschicht wird zusammen mit Gehäusehalb­ schalen fertiggestellt und läßt sich in diesem vorfabrizier­ ten Zustand mit dem Stahlrohr des Abgaskrümmers verbinden, so daß neben einer einfachen Montage verschiedene andere Monta­ geprobleme gelöst werden.

Nachteilig bei dieser Lösung ist der komplizierte Aufbau des Wärmedämmaterials sowie die Notwendigkeit eines Gehäuses, was insgesamt gesehen einen hohen Fertigungsaufwand bedeutet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abgaskrümmer vorzuschlagen, der den harten Bedingungen im Motorraum eines KFZ gewachsen ist, eine geringe Wärmekapazität aufweist und trotzdem eine hervorragende Isolationswirkung entfaltet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmedämmschicht aus einer aushärtbaren Formmasse gebildet ist, welche ein hochtemperaturfestes Bindemittel, eine parti­ kelförmige Komponente eines porenhaltigen Materials und eine faser- oder nadelförmige Verstärkungskomponente umfaßt, und daß die Wärmedämmschicht als solche die äußere Oberfläche des Abgaskrümmers bildet.

Bei einer solchen Wärmedämmschicht kann die aushärtbare Form­ masse die äußere Oberfläche des Abgaskrümmers selbst darstel­ len und benötigt kein zusätzliches Gehäuse, was den Abgas­ krümmer nicht nur in seinem Gewicht reduziert, sondern dar­ überhinaus noch die Wärmekapazität des Abgaskrümmers weiter reduziert.

Bei der erfindungsgemäß einzusetzenden aushärtbaren Formmasse kann ein selbsttragendes Bauteilelement erhalten werden, das zum einen eine ausreichende Festigkeit aufweist, um den schwierigen Betriebsbedingungen im Motorraum zu genügen und darüberhinaus die eigentliche Stabilität des Abgaskrümmers zu gewährleisten. Angesichts dessen kann das innenliegende Rohr des Abgaskrümmers auch von der Materialstärke her reduziert werden auf eine Dicke, die der chemischen und thermischen Be­ lastung durch die aus den Brennräumen aus strömenden Verbren­ nungsgase noch standhält, wobei für die mechanische Stabili­ tät, insbesondere der Erschütterungsfestigkeit des Bauteils, die Wärmedämmschicht als solche Rechnung trägt.

Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäß Abgaskrümmer als Bin­ demittel eine eine Keramikmatrix bildende, anorganische Reak­ tionsmischung verwendet. Wärmedämmschichten aus diesen Reak­ tionsmischungen lassen sich später problemlos mit dem Haus­ müll beseitigen oder sind im Zuge der Herstellung neuer Wär­ medämmschichten recyclebar. Durch die Verwendung einer rein anorganischen Rezeptur läßt sich außerdem eine sehr umwelt­ freundliche Herstellung gewährleisten.

Bevorzugt werden anorganische Reaktionsmischungen verwendet, die kalt aushärtend sind, da für solche Formmassen die Werk­ zeuge aus Holz oder Kunststoff hergestellt werden können, was die Fertigung von teuren metallenen Gießformen vermeidet. Hierfür geeignete anorganische Reaktionsmischungen sind selb­ ständig aushärtend und lassen bei der Aushärtereaktion allen­ falls Temperaturen bis zu 80°C entstehen.

In diesem Sinne besonders geeignete Bindemittelsysteme sind beispielsweise in der DE-40 40 180-A1 beschrieben. Die dort beschriebenen Formmassen - mit oder ohne Schaumbildner - eig­ nen sich zwar nicht als Formmasse für die vorliegende Erfin­ dung, da die so hergestellten Formteile der mechanischen Be­ anspruchung in einem Kraftfahrzeug nicht standhalten würden, jedoch hat sich überraschenderweise gezeigt, daß diese Form­ massen gemäß der DE-40 40 180-A1 gut als Bindemittelsystem für die vorliegende Erfindung geeignet sind.

Eine bevorzugte anorganische Reaktionsmischung enthält Was­ serglas, Kalilauge und Ofenfilterstaub aus der Korund-Her­ stellung. Dieser Staub entsteht, wenn Bauxit in großen Öfen aufgeschmolzen wird, wobei bei Temperaturen von ca. 2000°C aufgrund der entstehenden Thermik feinteiliges Material sowie verdampftes und wieder kondensiertes Material aufgewirbelt wird.

In den Filtern der Absaugung wird dieser Staub dann aufgefan­ gen. Die chemische Zusammensetzung beträgt, je nach einge­ setztem Rohstoff (Bauxit) etwa

50-70 Gew.-% Al₂O₂
20-70 Gew.-% SiO₂
sowie Zusätze von TiO_2,
Fe₂O_3,
CaO,
MgO,
Na₂O,
K₂O

und eventuell weitere Spurenelemente.

Die Korngröße dieses Filterstaubes variiert in großen Berei­ chen von etwa 0,1 µm bis ca. 200 µm. Über die Zudosierung der Kalilauge läßt sich die Aushärtezeit in weiten Bereichen, beispielsweise zwischen 5 Sekunden und 1 Stunde einstellen. Hierüber ist die Möglichkeit geschaffen, die Aushärtezeit op­ timal an die bestehenden Fertigungsmöglichkeiten und die da­ mit zusammenhängenden Fertigungszyklen anzupassen.

Als Wasserglas wird vorzugsweise Natron-Wasserglas verwendet, da dieses nicht nur billiger als Kali-Wasserglas ist, sondern darüberhinaus noch den Vorteil bietet, daß die gebildete Ke­ ramikmatrix eine höhere mechanische Festigkeit und größere Temperaturbeständigkeit aufweist.

Die selbstaushärtende anorganische Reaktionsmischung, welche ein keramisches Material bildet, wird insbesondere deshalb bevorzugt, weil sie eine Matrix bildet, die eine vergleichba­ re Festigkeit mit gesinterter Keramik aufweist.

Zur Beschleunigung des Aushärteprozesses der die keramische Matrix bildenden anorganischen Reaktionsmischung kann eine Warmhärtung bei etwa 70 bis 80°C erfolgen. Höhere Temperatu­ ren sind weniger erwünscht, da diese in vielen Fällen die Verwendung von metallenen Formteilen bedingen würde.

An die partikelförmige Komponente aus porenhaltigem Material sind zunächst keine besonderen Anforderungen zu stellen außer der, daß sie eine möglichst geringe thermische Leitfähigkeit und darüberhinaus auch eine möglichst geringe Wärmekapazität aufweist. Insbesondere braucht die partikelförmige Komponente keine besondere mechanische Festigkeit aufzuweisen, insbeson­ dere keine große Druckfestigkeit und auch eine hohe thermi­ sche Stabilität wird von der partikelförmigen Komponente nicht verlangt. Im Falle, daß sich bei den im Motorraum herr­ schenden, hohen Temperaturen, insbesondere durch die durch den Abgaskrümmer hindurchströmenden Abgase aus den Brennräu­ men, eine Veränderung der partikelförmigen Komponente ergibt, läßt dies im wesentlichen die Funktion der Wärmedämmschicht unberührt, da die die einzelnen Partikel umgebende Matrix aus dem hochtemperaturfesten Bindemittel die Formhaltigkeit der Wärmedämmschicht sicherstellt und außerdem verhindert, daß sich gegebenenfalls bildende Fehlstellen innerhalb der Matrix zu größeren Hohlräumen zusammenschließen, so daß auch im un­ günstigsten Fall bei der Zerstörung der partikelförmigen Kom­ ponente infolge der Temperatureinwirkung der Brennraumabgase stets eine Struktur der Wärmedämmschicht, in der eine Viel­ zahl von Hohlräumen, die der thermischen Isolierung dienen, erhalten bleibt.

Bevorzugt jedoch werden partikelförmige, porenhaltige Mate­ rialien, insbesondere in granularer Form, die auch den Hochtemperaturbedingungen des Abgaskrümmers standhalten ver­ wendet, wobei hier bevorzugt auf Glashohlkugeln, Blähglas, Vermikulit und/oder Perlit zurückgegriffen wird.

Die Verwendung von Blähglas bzw. geschäumtem Glas anstelle von Glashohlkugeln stellt keinerlei Probleme dar, da die Ge­ schlossenporigkeit der Glashohlkugeln für die partikelförmige porenhaltige Komponente nicht notwendig ist und die Offenporigkeit der Blähglaspartikel angesichts der der normalerweise eingestellten Zähigkeit der Formmasse sich nicht störend aus­ wirkt. Blähglas ist außerdem wesentlich billiger als Glas­ hohlkugeln. Vermikulit- und Perlitpartikel sind wegen ihrer sehr geringen Dichte bevorzugte Materialien, wobei Vermikulit aufgrund seiner Schichtstruktur auch unter dem Gesichtspunkt einer verbesserten akustischen Dämmwirkung als partikelförmi­ ge Komponente ausgewählt werden kann.

Neben den Wärmedämmeigenschaften des partikelförmigen, poren­ förmigen Materials wird als Nebeneffekt die Möglichkeit ge­ nutzt, die Formteile mit einer relativ geringen spezifischen Dichte herzustellen, welche bevorzugt < 2 g/cm³, weiter be­ vorzugt < 1,5 g/cm³ beträgt. Dämmschichten mit solch niedri­ ger spezifischer Dichte können in großem Umfang zur Wärmedäm­ mung nicht nur direkt am Abgaskrümmer, sondern auch in der Fortsetzung der Abgasleitung in der gesamten Abgasanlage ein­ gesetzt werden, ohne daß sie zu Gewichtsproblemen im KFZ-Bau führen.

Für die Verstärkungskomponente stehen ebenfalls eine breite Palette von Verstärkungsmaterialien zur Verfügung, wobei un­ ter faserförmigen Verstärkungskomponenten nicht nur Einzelfa­ sern, sondern auch Faservliese, Fasergewebe, -gewirke oder dergleichen zu verstehen sind. Ebenso sind unter den nadel­ förmigen Verstärkungskomponenten auch Nadelvliese oder der­ gleichen zu verstehen.

Bevorzugt wird jedoch die nadel- bzw.- faserförmige Verstär­ kungskomponente in die Formmasse in Form von Einzelfasern bzw. Einzelnadeln eingemischt, was nicht ausschließt, daß in der Formmasse mehr oder weniger große Zusammenballungen von Einzelfasern und Einzelnadeln vorkommen können. Als besonders geeignet haben sich nadelförmiger Wollastonit, Glasfasern, Mineralfasern, Mineralwolle und/oder Metallfasern erwiesen.

Die Nadeln bzw. Fasern der Verstärkungskomponente sollten vorzugsweise eine Länge im Bereich von ca. 50 bis ca. 200 µm aufweisen. Die Untergrenze von ca. 50 µm ergibt sich dadurch, daß bei deutlich kürzeren Fasern keine Verstärkungswirkung in ausreichendem Umfang erzielt wird, während bei Fasern mit ei­ ner deutlich größeren Länge als 200 µm das Mischen der Form­ masse problematisch wird und ein Brechen der langen Fasern bei der Herstellung der Formmasse zu befürchten ist.

Eine Ausnahme bilden hier Glas- und Metallfasern, die bis zu ca. 15 mm lang sein können.

Neben den zuvor beschriebenen, unabdingbaren Komponenten der Formmasse für die Herstellung des erfindungsgemäßen Abgas­ krümmers kann fakultativ in der Formmasse beispielsweise ein Füllstoff enthalten sein, der entweder zur Eigenschaftsver­ besserung der Formteile oder aber einfach zur Verbilligung des Formmassenmaterials verwendet werden kann.

Talkumpulver stellt beispielsweise einen bevorzugten Füll­ stoff dar, da er aufgrund seiner Plättchenstruktur die Ela­ stizität des ausgehärteten Formmassenmaterials bzw. des Wär­ medämmaterials verbessert.

Glimmer kommt ebenfalls als Füllstoff in Frage und wird wegen seiner großen Hitzebeständigkeit geschätzt.

Einen besonders billigen Füllstoff bildet Kalk, welcher ins­ besondere als Ersatzstoff zum Strecken der Formmasse Verwen­ dung findet.

Als Füllstoffe für neu herzustellende Formteile bzw. Wärme­ dämmschichten eignet sich jedoch auch ausgehärtetes und zer­ kleinertes Wärmedämmaterial selbst. Auf diese Weise können ausgebrauchte Wärmedämmschichten vollständig wiederverwendet werden und müssen nicht mit dem Hausmüll entsorgt werden.

Bei den Füllstoffen wird vorzugsweise darauf geachtet, daß die Größe der Füllstoffpartikel von ca. 0 bis ca. 100 µm, bei einer möglichst breiten Korngrößenverteilung reicht. Dies be­ deutet, daß eine sehr enge Verteilung innerhalb des Bereichs bis 200 µm Korngröße vorzugsweise vermieden wird.

Die Formmasse kann ferner anorganische Pigmente enthalten, insbesondere in Form von Metalloxiden, wie z. B. Eisenoxide, Chromoxide etc.

Die Viskosität der Formmasse wird unabhängig von der Art des verwendeten Bindemittels, vorzugsweise auf eine Viskosität von 150 Pas eingestellt. Dies erlaubt nicht nur eine gute Verarbeitung der Formmasse, sondern erlaubt auch ein schonen­ des Untermischen der faserförmigen oder nadelförmigen Ver­ stärkungsmaterialien bzw. ein entsprechend einfaches Tränken und/oder Beschichten der verwendeten Faser- und/oder Na­ delvliese.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Abgaskrümmer liegen insbe­ sondere darin, daß sie keine tragende Struktur im Inneren aus Blechteilen benötigen und über leicht herzustellende Formen in nahezu beliebiger Ausgestaltung herstellbar sind.

Die Wärmekapazität der erfindungsgemäßen Auspuffkrümmer ist extrem gering und sichert so ein schnelles Anspringen des Ka­ talysators. Durch die hervorragende Isolationswirkung der Wärmedämmschichten wird eine geringe Wärmeabgabe an den Mo­ torraum erzielt. Darüberhinaus beeindruckt das geringe Ge­ wicht der erfindungsgemäßen Abgaskrümmer sowie der günstige Herstellungspreis.

Darüber hinaus läßt sich eine besonders glatte Oberfläche bei den Bauteilen erzielen und so eine Aufwertung des optischen Erscheinungsbildes des Bauteils erreichen. Dies ist von be­ sonderer Bedeutung bei der derzeitigen Tendenz der Automobil­ hersteller, eine ansprechende Gestaltung des Motorraums anzu­ streben.

Darüber hinaus ist es auch einfach möglich, die Oberfläche des Abgaskrümmers akustisch günstig zu gestalten, z. B. durch eine Waffel- oder Wabenstruktur.

Aufgrund der hohen Stabilität der Wärmedämmschicht widersteht diese allen üblichen Einwirkungen, die im Motorraum normaler­ weise vorkommen, so daß ein Extra-Gehäuse zum Kapseln des Ab­ gaskrümmers entfallen kann.

Insbesondere die Verwendung von Korund-Ofenfilterstaub er­ laubt in Verbindung mit einer im einzelnen noch zu beschrei­ benden Rezeptur eine so schnelle Aushärtung, daß Großserien­ fertigungen möglich werden (beispielsweise 160 000 Teile pro Form und Jahr und mehr).

Das die Innenseite des Krümmers bildende Rohr, insbesondere Verzweigungsrohr, ist bevorzugt ein Metallblechteil, insbe­ sondere ein Stahlblechteil.

Alternativ kann das Rohr auch als ein Keramikbauteil ausge­ bildet sein.

Die Wandstärke des Rohres, insbesondere des Verzweigungsroh­ res beträgt bevorzugt 2 mm d. h. die Wandstärke des Rohres ist so weit reduziert, als dies im Hinblick auf die geforder­ te Standfestigkeit gegenüber den Abgasen, die aus den Brenn­ räumen des Verbrennungsmotors austreten, vertretbar ist.

Die Stabilität des Abgaskrümmers wird hierbei im wesentlichen von der Wärmedämmschicht sichergestellt, während das die In­ nenseite des Krümmers bildende Rohr die Wärmedämmschicht vor chemischen und direkten thermischen Belastungen des aus dem Verbrennungsmotor kommenden Abgases schützt.

Die Wärmedämmschicht wird vorzugsweise so aufgebaut, daß die faserförmige Komponente als hochtemperaturfeste Fasermatte mit einem Porenvolumen verwendet wird, wobei das Porenvolumen der Fasermatte teilweise mit der aushärtbaren Formmasse ge­ füllt ist.

Bevorzugt wird hierbei die Fasermatte lediglich an ihren au­ ßen liegenden Schichten, vorzugsweise mit einer Schichtdicke < 2 mm getränkt. Die Dicke der Fasermatte selbst liegt übli­ cherweise im Bereich zwischen ca. 5 und ca. 20 mm, bevorzugt im Bereich von 6 bis 15 mm, typischerweise bei ca. 10 mm.

Bei der Verwendung von Fasermatten mit einem Porenvolumen wird die Korngröße der partikelförmigen Komponente so ge­ wählt, daß ein Eindringen dieser Partikel in die Oberflächen­ schichten der Fasermatte möglich ist. Dies erlaubt ein voll­ ständiges Eindringen der aushärtbaren Formmatten in die Ober­ flächenschichten, ohne daß eine Trennung von Bindemittel und partikelförmiger Komponente auftritt.

Alternativ zu der Verwendung der Fasermatten kann vorgesehen sein, daß die Formmasse die Verstärkungsfasern oder -nadeln im wesentlichen vereinzelt verteilt enthält und aufgeschäumt ist. Unter vereinzelten und verteilten Verstärkungsfaser wer­ den auch solche Faserkomponenten verstanden, welche geringfü­ gig agglomeriert, nicht jedoch zu einem Vlies verbunden, vor­ liegen.

Die Wärmedämmschicht kann mehrteilig ausgebildet sein und ist dann vorzugsweise von dem die Innenseite des Krümmers bilden­ den Rohr abnehmbar ausgestaltet. Damit lassen sich im Repara­ turfall die Wärmedämmschichten von dem die Innenseite bilden­ den Rohr abnehmen, dieses austauschen und erneut mit den Wär­ medämmschichtteilen bestücken.

Hierbei können die Teile der Wärmedämmschicht vorgeformt sein. Alternativ ist auch eine Ausbildung der Teile der Wär­ medämmschicht am die Innenseite des Krümmers bildenden Rohr selbst möglich.

Alternativ kann vorgesehen sein, daß die Wärmedämmschicht auf das Verzweigungsrohr aufgeformt ist und mit diesem quasi eine Einheit bildet.

Die Erfindung betrifft des weiteren eine Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, welche einen Abgaskrümmer der zu­ vor beschriebenen Art umfaßt.

Bei dieser Abgasanlage sind vorzugsweise weitere Rohrlängen mit einer Wärmedämmschicht ummantelt, wie sie der Wärmedämm­ schicht entspricht, die für den oben angegebenen Abgaskrümmer beschrieben wurde.

Bei der oben beschriebenen Fasermatte wird vorzugsweise eine Matte verwendet, deren Porenvolumen ca. 95 Volumenprozent des Gesamtvolumens der Fasermatte ausmacht. Das Tränken der Fa­ sermatte wird vorzugsweise so vorgenommen, daß die außen lie­ gende Schicht der Fasermatte zu 100% getränkt wird, d. h. das Porenvolumen auf Null reduziert wird, während der innen lie­ gende Bereich der Fasermatte nur zu ca. 30% seines Porenvo­ lumens gefüllt wird. Die Dicke der 100% gefüllten Schicht beträgt ca. 10 bis 20% der Gesamtdicke der Fasermatte.

Bevorzugte Fasermatten weisen einen Durchmesser der gezogenen Fasern von ca. 6 bis ca. 8 µm auf, so daß die Fasern nicht lungengängig sind. Die Fasermatten sind vorzugsweise frei von Keramikfasern und darüberhinaus bindemittelfrei. Die Matten sollten eine besonders gute Vernadelung in Richtung der Mat­ tendicke aufweisen. Eine gute Zugfestigkeit der Fasermatte muß in alle Richtungen gegeben sein.

Darüber hinaus sollen sich die Matten leicht an das Verzwei­ gungsrohr des Abgaskrümmers räumlich anpassen lassen und sol­ len neben einer guten Temperaturbeständigkeit auch vibrati­ onsbeständig sein. Wichtig im Hinblick auf die Verwendung mit Wasserglasbindemitteln ist, daß bei den Matten eine wasserab­ weisende Imprägnierung vermieden werden muß.

Im folgenden sei noch eine beispielhafte Rezeptur einer Form­ masse für die Herstellung von Abgaskrümmern mit den oben be­ schriebenen Wärmedämmschichten genannt:
1 Teil SiO₂ als Bezugsgrundlage
1,4 bis 2,7 Teile H₂O
0,25 bis 0,5 Teile Na₂O
12 bis 20 Teile Korund-Ofenfilterstaub, welche insgesamt das Bindemittel bilden.

Dazu kommen 2 bis 8 Teile Verstärkungsfasern sowie 0,5 Teile Glashohlkugeln.

Wichtig ist, daß das Bindemittel zusammen mit der Verstär­ kungskomponente eine ausreichend feste und schnell aushärten­ de Matrix bildet, die den zum Teil heftigen Erschütterungen, die in Kraftfahrzeugen beim üblichen Betrieb auftreten, standhalten.

Das partikelförmige porenhaltige Material dient hauptsächlich der Verbesserung der Wärmedämmung, und es kann in vielen Fäl­ len bereits ausreichend sein, wenn das partikelförmige, po­ renhaltige Material während der Verfestigung und Aushärtung der Formmasse Hohlräume in der Matrix bildet und freihält, während das Schicksal des partikelförmigen, porenförmigen Ma­ terials beim Einsatz der Wärmedämmschicht als Außenschicht des Abgaskrümmers im KFZ während der Betriebsdauer von gerin­ gerer Bedeutung ist, aufgrund der Matrix, die für die Wärme­ dämmung notwendigen Hohlräume auch erhalten bleiben, wenn das partikelförmige, porenhaltige Material im Laufe der Zeit ver­ ändert oder gar aus den Formteilen ausbrennen wird.

In die Wärmedämmschicht können Befestigungsmittel eingeformt oder eingebettet enthalten sein, die der Befestigung des Ab­ gaskrümmers am Motor bzw. der Verbindung des Abgaskrümmers mit den restlichen Teilen der Abgasanlage dienen. Solche Be­ festigungsteile können insbesondere Metallteile mit eingear­ beitetem Gewinde oder mit einstückig angeformten Flanschen sein.

Anhand der Zeichnung wird jetzt die Erfindung noch näher er­ läutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemä­ ßen Abgaskrümmers; und

Fig. 2 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäß auf­ gebaute Wärmedämmschicht des Abgaskrümmers von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 verse­ henen Abgaskrümmer, welcher ein Verzweigungs- oder Sammelrohr 12 sowie vier Anschlußrohre 14 bis 17 umfaßt. Mit den An­ schlußrohren 14 bis 17 läßt sich der Abgaskrümmer 10 direkt mit dem hierzu passenden Verbrennungsmotorblock bzw. dessen Abgasauslässen verbinden.

Die in Fig. 1 enthaltene Darstellung des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers ist eine rein schematische Darstellung zur Er­ läuterung der Erfindung, und insbesondere die Dicken der ein­ zelnen Bauteilelemente sind lediglich aus Darstellungszwecken gewählt. Insbesondere wird bei dem erfindungsgemäßen Abgas­ krümmer die Wandstärke des Sammelrohrs 12 und der Anschluß­ rohre 14 bis 17 sehr klein gewählt, um die Wärmekapazität dieser Rohre möglichst gering zu halten. Das Material, aus dem diese Rohre üblicherweise hergestellt sind, ist normaler­ weise Stahlblech, das sich in einem Verformungsschritt in die gewünschte Gestalt bringen läßt.

Der erfindungsgemäße Abgaskrümmer umfaßt ferner eine Wärme­ dämmschicht 18, welche um das Sammelrohr 12 sowie um die An­ schlußrohre 14 bis 17 herum gelegt ist.

Im Fall der Ausführungsform, die in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt der Abgaskrümmer 10 zwei Halbschalen 20 und 21, welche um das Sammel- und die Anschlußrohre herumgelegt die Wärme­ dämmschicht 18 bilden.

Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, daß im Reparaturfall die Wärmedämmschicht 18, hier in Form der Halb­ schalen 20 und 21, von dem Sammelrohr bzw. den Anschlußrohren abgenommen werden kann und so beim Austausch des Sammelrohrs wiederverwendbar ist.

Wie zuvor erwähnt, sind insbesondere die Dickenverhältnisse der Wärmedämmschicht 18 und die Schichtdicke der Sammel- und Anschlußrohre nicht maßstäblich gezeichnet, sondern sind le­ diglich aus Gründen der darstellerischen Einfachheit halber gewählt.

Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch den Aufbau der Wärmedämmschicht 18, welche bei dieser Ausführungsform aus einer Fasermatte 22 die temperaturbeständig bis ca. 800 bis 1000°C ist und im wesentlichen aus Mineralwolle oder Silikat­ wolle besteht, aufgebaut, welche kurzzeitig in eine sehr dünnflüssige Rezeptur für die Formmasse getaucht wurde.

Alternativ könnte das Bindemittel in einer dickflüssigeren Rezeptur ein- oder beidseitig aufgebracht werden.

Die so erzeugte nasse Fasermatte 22 wurde mit Hilfe einer Form in eine gewünschte Kontur gepreßt, d. h. hier um das me­ tallische Sammelrohr 12 mit den Anschlußrohren 14 bis 17 her­ umgelegt. Da die Matte aufgrund der Tränkung mit der Formma­ sse sehr flexibel ist, reichen hierfür einfachste Formen und geringste Drücke aus. Das keramische Bindemittel härtet bei Umgebungstemperaturen in wenigen Minuten aus, das Formteil kann entlang der Trennlinie getrennt und dann der Form ent­ nommen werden.

Bei der in der Fig. 2 gezeigten Wärmedämmschicht wurde über den Schichtquerschnitt ein Formmassengradient erzeugt, d. h. die Anteile der Formmasse an der Gesamtmasse der Dämmschicht sind an den Oberflächenbereichen 24 und 25 der Dämmschicht 18 größer als im mittleren Bereich 26. Diese Verteilung der Formmasse über den Wärmedämmschicht-Querschnitt ermöglicht nicht nur die Einsparung einer Formmasse bei der Herstellung der Wärmedämmschicht, sondern verbessert zum einen die ther­ mischen Isolationseigenschaften und erstaunlicherweise auch die akustischen Dämmeigenschaften und ergibt natürlich insge­ samt ein geringeres Gewicht für den Abgaskrümmer 10.

Darüber hinaus führt das bei sparsamem Einsatz der Formmasse zu einer optisch akzeptablen Oberfläche und zu einer sehr ge­ ringen Aufnahme von Wasser und Öl durch den Abgaskrümmer 10.

Bei Bedarf kann die Oberfläche eine Veredelung erfahren, bei­ spielsweise zur Verbesserung der Strahlungsabschirmung oder zur optischen Aufwertung des Abgaskrümmers. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers liegen zunächst darin, daß die Innenseite des Abgaskrümmers sehr dünnwandig ausgestaltet werden kann, wodurch erhebliche Gewichtseinsparungen und ins­ besondere Einsparungen in der Wärmekapazität des Bauteils möglich werden, ohne daß die Festigkeit des Bauteils insge­ samt verringert wird oder auf komplizierte Herstellungsver­ fahren zurückgegriffen werden muß.

Darüber hinaus ermöglicht die Verringerung der Wärmekapazität des Abgaskrümmers ein bedeutend schnelleres Anfahrens des Ka­ talysators der Abgasanlage und verhindert, daß der Katalysa­ tor im Dauerbetrieb des Motors bei niedrigem Verbrauch (z. B. im Leerlauf des Motors) nicht genügend Wärme an den Katalysa­ tor liefert. Der Aufbau der Wärmedämmschicht 18, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, läßt sich selbstverständlich auch für weitere Teile der Abgasanlage verwenden, um so zu einer wei­ teren Einsparung an Wärmekapazität und Wärmeabstrahlung von der Abgasanlage zu kommen.

Claims (29)

1. Abgaskrümmer für eine Abgasanlage eines Verbrennungs­ motors mit einem die Innenseite des Krümmers bildenden Rohrs mit mindestens einem Anschlußstück zur Verbin­ dung mit mindestens einem Brennraum des Verbrennungs­ motors und mit einer um das Rohr herum angeordneten Wärmedämmschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Wär­ medämmschicht aus einer sehr schnell aushärtbaren Formmasse hergestellt ist, welche ein hochtemperatur­ festes Bindemittel, eine partikelförmige Komponente eines porenhaltigen Materials und eine faser- oder na­ delförmige Verstärkungskomponente umfaßt, und daß die Wärmedämmschicht als solche die äußere Oberfläche des Abgaskrümmers bildet.

2. Abgaskrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel eine eine Keramikmatrix bildende anorganische Reaktionsmischung umfaßt.

3. Abgaskrümmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Reaktionsmischung selbständig aushärtend ist, wobei durch eine exotherme Reaktion Temperaturen bis 80°C entstehen.

4. Abgaskrümmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Reaktionsmischung Wasserglas, KOH und Ofenfilterstaub der Korund-Herstellung umfaßt.

5. Abgaskrümmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserglas im wesentlichen aus Natron-Wasser­ glas besteht.

6. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die partikelförmige Komponente aus porenhaltigem Material, Glashohlkugeln, Blähglas, Ver­ mikulit und/oder Perlit umfaßt.

7. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ihre spezifische Dichte < 2 g/cm³, vorzugsweise < 1,5 g/cm³ beträgt.

8. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungskomponente nadel­ förmigen Wollastonit, Glasfasern, Mineralfasern, Mine­ ralwolle und/oder Metallfasern umfaßt.

9. Abgaskrümmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadeln bzw. Fasern der Verstärkungskomponente eine Länge im Bereich von ca. 50 bis ca. 200 µm, im Falle von Glas- und Metallfasern bis ca. 15 mm aufwei­ sen.

10. Abgaskrümmer nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formmasse ferner einen Füllstoff enthält.

11. Abgaskrümmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff Talkum, Glimmer, Kalk und/oder recy­ celtes Wärmedämmaterial in Pulverform umfaßt.

12. Abgaskrümmer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Korngröße des Füllstoffs von 0 bis ca. 200 µm bei einer breiten Korngrößenverteilung reicht.

13. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Formmasse anorganische Pigmente, insbesondere auf der Basis von Metalloxiden, umfaßt.

14. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Viskosität der Formmasse 150 Pas beträgt.

15. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht die fa­ ser- oder nadelförmige Verstärkungskomponente als eine hochtemperaturfeste Fasermatte umfaßt, welche mit der sehr schnell aushärtbaren Restformmasse getränkt und noch vor dem Aushärten der Formmasse modelliert wurde.

16. Abgaskrümmer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächennahen Bereiche der Abgaskrümmer ei­ nen höheren Formmassenanteil umfassen, als von der Oberfläche entfernt liegende.

17. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß das Verzweigungsrohr ein Me­ tallblechteil ist.

18. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß das Verzweigungsrohr ein Ke­ ramikbauteil ist.

19. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 17 oder 18, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Verzwei­ gungsrohres 2 mm beträgt.

20. Abgaskrümmer nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die faserförmige Verstär­ kungskomponente als eine hochtemperaturfeste Fasermat­ te mit einem Porenvolumen enthalten ist, wobei das Po­ renvolumen mindestens teilweise mit der Formmasse ge­ füllt ist.

21. Abgaskrümmer nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasermatte lediglich an ihren außenliegenden Schichten, vorzugsweise mit einer Schichtdicke < 2 mm getränkt ist.

22. Abgaskrümmer nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke der Fasermatte ca. 5 bis ca. 20 mm, bevorzugt 6 bis 15 mm beträgt.

23. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 20 bis 23, da­ durch gekennzeichnet, daß die Korngröße der partikel­ förmigen Komponente der Formmasse so gewählt ist, daß ein Eindringen der Partikel in die Oberflächenschich­ ten der Fasermatte möglich ist.

24. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, daß die Formmasse die Verstär­ kungsfasern oder -nadeln im wesentlichen vereinzelt verteilt enthält und aufgeschäumt ist.

25. Abgaskrümmer nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht mehr­ teilig ausgebildet ist und von dem Verzweigungsrohr abnehmbar ist.

26. Abgaskrümmer nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Wärmedämmschicht vorgeformt sind.

27. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 24, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht auf das Verzweigungsrohr aufgeformt ist.

28. Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, umfas­ send einen Abgaskrümmer nach einem der voranstehenden Ansprüche.

29. Abgasanlage nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß, daß sie weitere Rohrleitungen mit einer Wärme­ dämmschicht ummantelt enthält, welche im Aufbau der Wärmedämmschicht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 27 entspricht.