DE19738622A1 - Abgasleitung für eine einen Katalysator aufweisende Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abgasleitung für eine einen Katalysator aufweisende Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasleitung für eine einen Kataly­ sator aufweisende Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, wie sie bspw. aus der gattungsbildend zugrundegelegten DE 40 39 735 A als bekannt hervorgeht.
Aus der DE 40 39 735 A1 ist ein Abgaskrümmer bekannt, dessen Wandung im Querschnitt aus drei Lagen gebildet ist. Der Vorteil diese Abgaskrümmers ist u. a. darin zu sehen, daß hierbei die Ansprechzeit des nachfolgenden Katalysators verkürzt und die Gesamtemission an Schadstoffen reduziert ist.
Der Abgaskrümmer weist ein außenseitig angeordnetes metalli­ sches Rohr auf, das insbesondere aus einem rostfreien Stahl ge­ fertigt ist. Innenseitig weist die Wandung eine Dämmlage auf, die kraftschlüssig mit dem Rohr verbunden ist. Die Dämmlage ist ihrerseits aus einer Folie und einer die Folie beschichtenden und wärmeisolierenden Isolierschicht gebildet. Die Folie weist einen direkten Kontakt mit dem Abgas auf, während die Isolier­ schicht eine Zwischenlage zwischen dem außenseitigen Rohr und der innenseitigen Folie des Abgaskrümmers bildet. Die Folie ist aus einem hitze- und zunderbeständigen Werkstoff gefertigt und weist eine Schichtdicke kleiner 0,5 mm insbesondere 0,2 mm auf. Die Isolierschicht besteht aus einem hochfesten und asbestfrei­ en Wärmedämmstoff wie bspw. einer Keramikfaser aus SiO2 und weist eine Schichtdicke zwischen 2 und 4 mm auf. Die Schicht­ dicke der aus Isolierschicht und Folie gebildeten Dämmlage be­ trägt also zwischen 2,2 mm und 4,5 mm. Die kraftschlüssige Ver­ bindung zwischen der Dämmlage und dem Rohr findet entlang ein­ zelner Punkt- und/oder Linienschweißungen zwischen der Folie und dem Rohr statt, so daß die Isolierschicht im Idealfall zwi­ schen der Folie, dem Rohr und den einzelnen Punkt- und/oder Li­ nienverbindungen eingeklemmt ist.
Zur Auskleidung des Rohres wird zuerst die Dämmlage zu einem rohrartigen und flexiblen Hohlkörper geformt und mindestens einmal in Längsrichtung gefaltet, wobei die Maße des Hohlkör­ pers denjenigen entsprechen, die er später im Abgaskrümmer auf­ weist. Der gefaltete Hohlkörper wird in das äußere Rohr einge­ führt und durch eine mechanische und/oder hydraulische Aufwei­ tung an die innere Wandung des äußeren Rohres faltenfrei ange­ legt. Die Herstellung des vorbekannten Abgaskrümmers weist also mehrere aufeinanderfolgende Arbeitsschritte auf und daher zeit­ aufwendig, kompliziert und teuer. Desweiteren ist der lichte Querschnitt des äußeren Rohres um wenigstens 4,4 mm verringert, wodurch der Außendurchmesser des äußeren Rohres entsprechend groß sein muß, womit ein erhöhtes Gewicht, ein erhöhter Materi­ alverbrauch und ein größerer Raumbedarf verbunden ist. Dies wirkt sich auch negativ auf die Herstellungskosten aus.
Aus der DE-OS 24 48 482 ist ein Sammelleitung für Abgase mit mehreren zu den Zylindern einer Brennkraftmaschine führenden Stutzen bekannt. Die Sammelleitung und die Stutzen sind innen­ seitig mit einer Isolierschicht versehen, die aus mehreren vor­ gefertigten und formgerechte angepaßten Einzelteilen besteht. Die Einzelteile werden in die Sammelleitung und in die Stutzen eingeführt, wobei die in den Stutzen angeordneten Einzelteile in formangepaßte Aussparungen greifen, die in den Einzelteilen der Sammelleitung eingreifen und diese Einzelteile der Sammel­ leitung fixieren. Auch in diesem Fall ist die Herstellung die­ ser aus der Sammelleitung bestehenden Abgasleitung mit einem großen Raumbedarf verbunden sowie aufwendig und teuer.
Aus der US 4,526,824 ist ein im Zylinderkopf angeordneter Aus­ laßkanal bekannt, der die Abgasleitung bildet und dessen innen­ seitige Wandung bereichsweise eine wärmeisolierenden Einlege­ buchse aufweist. Die Einlegebuchse weist einen dem Material des Zylinderkopf zugewandte Isolierschicht aus Fasern und einen dem Abgas zugewandten Sinterkörper aus hitze- und zunderbeständigen Aluminiumtitanat auf. Zur Herstellung des Auslaßkanals, also der Abgasleitung wird die vorgefertigte Buchse vor dem Gießen des Zylinderkopfes in dessen Gußform lagedefiniert und weitge­ hend ortsfest eingelegt und der Zylinderkopf gegossen. Da die ortsfeste Halterung in der Gußform mit teils erheblichen Tole­ ranzen verbunden ist, muß der Auslaßkanal nach dem Gießen zu­ mindest überprüft und i.a. immer nachgearbeitet werden. Unter anderem aus diesen Gründen ist diese Art der Herstellung eben­ falls schwierig und teuer.
Aus der EP 27 009 ist ein Auspufftopf bekannt, der zum Zweck der Schalldämpfung innenseitig zumindest bereichsweise mit ei­ ner Emailschicht versehen ist. Ferner sind aus dieser Schrift verschieden Verfahren zum Auftrag der Emailschicht bekannt, wo­ bei in der Schrift auch auf unterschiedliche körperliche Ausge­ staltungen der Oberfläche des Topfes zur besseren Haftung der Emailschicht eingeht.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die zugrundegelegte Abgaslei­ tung dahingehend weiterzuentwickeln, daß bei vergleichbarer Verringerung der Gesamtemission an Schadstoffen die Herstellung der Abgasleitung vereinfacht und möglichst verbilligt ist.
Zuletzt sei noch eine sogenannte Luftspaltisolierung erwähnt, bei der der Abgaskrümmer aus einem inneren und einem äußeren Rohr gefertigt ist, die konzentrisch zueinander angeordnet und durch einen Luftspalt wärmeisolierend voneinander beabstandet sind. Diese Lösung ist ebenfalls sehr aufwendig und teuer.
Die Aufgabe wird mit einer Abgasleitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Trotz der sehr dünnen Isolierschicht, die einfach und preisgünstig innenseitig aufgebracht werden kann, ist die Abgasleitung in überraschender Weise ausreichend wär­ meisoliert. Da die Schichtdicke der Isolierschicht ferner ge­ ring ist, ist auch der Strömungsquerschnitt in günstiger Weise kaum beeinträchtigt.
Sinnvolle Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dar­ gestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Abgaskrümmer einer Abgaslei­ tung und
Fig. 2 eine Diagramm der Temperatur des Abgases in Abhängig­ keit von der Zeit.
In Fig. 1 ist eine s-förmig gebogener Abgaskrümmer 1 einer Ab­ gasleitung für eine einen Katalysator aufweisende Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Motor eines Kraftfahrzeugs, dargestellt. Obwohl in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel nur auf den Abgaskrümmer 1 der Abgasleitung ein­ gegangen wird, kann die Erfindung auf alle vor dem Katalysator befindlichen Bereiche der Abgasleitung, nämlich - beginnend mit dem Zylinderkopf - den Auslaßkanal, den dem Auslaßkanal nach­ folgenden Stutzen des Sammelstücks, das Sammelstück selbst und den Abgaskrümmer 1 übertragen werden.
Der Abgaskrümmer 1 ist in Strömungsrichtung des Abgases be­ trachtet motornah vor dem Katalysator angeordnet. Er weist ein äußeres Rohr auf, das in der Art einer Wärmeleitschicht 3 aus einen metallischen Werkstoff gefertigt ist, wobei der Werkstoff vorzugsweise zumindest weitgehend resistent gegen Rost ist. Die innenseitige Wandung des Rohres ist mit einer Isolierschicht 2 aus vorzugsweise Email und/oder Keramik und/oder Eloxal be­ schichtet. Die spez. Wärmekapazität c der Isolierschicht 2 ist kleiner als 106 J/ (m3h), deren Wärmediffusivität κ ist kleiner als 0.01 cm2/s, und deren Schichtdicke beträgt zwischen 2 und 0.1 mm.
Die Isolierschicht 2 und das Metall der Wärmeleitschicht 3 sind direkt und kraftschlüssig miteinander verbunden, wobei die in­ nere Oberfläche der Isolierschicht 2 einen direkten Kontakt zu dem Abgas aufweist.
Damit die Spannung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten zwischen der Wärmeleit- 3 und der Isolier­ schicht 2 verringert ist, wird die Isolierschicht 2 zweckmäßi­ gerweise mit einer Schichtdicke zwischen 100 µm und 500 µm auf­ gebracht. Ferner ist es günstig, die Isolierschicht 2 mit meh­ rere Dünnstellen auszubilden, an denen die Schichtdicke um min­ destens 10%, bevorzugt und mindestens 50% und besonders bevor­ zugt um mindestens 90% reduziert ist.
In einer besonderen Ausführungsform ist die Isolierschicht 2 aus mehreren räumlich voneinander getrennten Materialinseln 8 gebildet, die ihrerseits wieder mit den obigen Dünnstellen ver­ sehen werden können. Durch diese Maßnahmen kann aus einem sprö­ den Material wie Email eine Schicht mit Eigenschaften herge­ stellt werden kann, die im Gesamten betrachtet einer Schicht aus elastischem Material nahekommt.
In Fig. 3 ist ein Diagramm der Temperatur des Abgases in einer Abgasleitung über der Zeit aufgetragen, wobei als t0 = 0 der Zeitpunkt beim Start des Motors genommen wurde. Die einzelnen Kurven 4 bis 7 des Diagramms nach Fig. 2 beschreiben im ein­ zelnen:
Kurve 4: die Temperatur des Abgases am Zylinderausgang, also vor dem Eintritt in den Abgaskrümmer 1,
Kurve 5: die Temperatur des Abgases am Eingang des Katalysa­ tors, also nach dem Abgaskrümmer 1, wobei der Abgaskrümmer 1 innenseitig mit einer Isolierschicht 2 aus Email beschichtet ist, deren Schichtdicke 0.5 mm (500 µm) und deren die Wärmedif­ fusivität κ 0.007 cm2/s beträgt,
Kurve 6: die Temperatur des Abgases am Eingang des Katalysa­ tors, also nach dem Abgaskrümmer 1, wobei der Abgaskrümmer 1 eine Luftspaltisolierung aufweist und
Kurve 7: die Temperatur des Abgases am Eingang des Katalysators bei einem normalen Abgaskrümmer 1 ohne jegliche Isolierschicht 2.
Wie aus dem Diagramm nach Fig. 2 ersichtlich, ist die Tempera­ tur des Abgases am Katalysator bei der dünnen Isolierschicht 2 am höchsten. Dadurch erwärmt sich der Katalysator am schnell­ sten auf seine Betriebstemperatur, wodurch die Emission von Schadstoffen während der Startphase und damit auch die Gesamte­ mission gesenkt ist.
Die Auftragung einer Emailschicht sowie zur Untergrundbehand­ lung bei einem Emailauftrag kann bspw. der EP 27 809 entnommen werden. Desweiteren ist zum Auftrag der Isolier-, insbesondere Emailschicht u.a auch ein Plasma-CVD-Verfahren denkbar.

Claims (7)

1. Abgasleitung für eine einen Katalysator aufweisende Abgasan­ lage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Motor eines Kraftfahrzeugs, welche Abgasleitung in Strömungs­ richtung des Abgases betrachtet vor dem Katalysator, insbeson­ dere motornah angeordnet ist, eine außenseitig angeordnete Wär­ meleitschicht vorzugsweise aus einen metallischen Werkstoff so­ wie eine innenseitig angeordnete Isolierschicht aus einem wär­ meisolierenden Werkstoff aufweist, wobei die Schichtdicke der Isolierschicht kleiner als 4 mm ist, dadurch gekennzeichnet daß die Isolierschicht (2) und die Wärmeleitschicht (3) direkt und kraftschlüssig miteinander verbunden sind, daß die Isolier­ schicht (2) an der Innenseite des Abgasrohres angeordnet ist, daß die Schichtdicke der Isolierschicht (2) kleiner als 2 mm ist, daß die spez. Wärmekapazität c der Isolierschicht (2) kleiner als 106 J/(m3h) ist und daß die Wärmediffusivität κ der Isolierschicht (2) kleiner als 0.01 cm2/s ist.
2. Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (2) einen direkten Kontakt zu dem Abgas aufweist.
3. Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Isolierschicht (2) größer als 100 µm ist.
4. Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Isolierschicht (2) kleiner als 1 mm, bevorzugt kleiner als 500 µm und besonders bevorzugt kleiner als 300 µm ist.
5. Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (2) mehrere Dünnstellen aufweist, an de­ nen die Schichtdicke um mindestens 10%, bevorzugt und minde­ stens 50% und besonders bevorzugt um mindestens 90% reduziert ist.
6. Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (2) aus mehreren räumlich voneinander getrennten Materialinseln (8) gebildet ist.
7. Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (2) Email und/oder Keramik und/oder Eloxal ist.
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