DE19738622C2

DE19738622C2 - Abgasleitung für eine einen Katalysator aufweisende Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE19738622C2
Application number: DE19738622A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Zachai; Martin Hartweg; Herbert Klein; Martin Matt; Karl-Heinz Thiemann; Wolfram Muench; Ulrich Buettner
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2017-09-05
Also published as: GB9818659D0; GB2328979A; US6284332B1; FR2767863A1; IT1302309B1; GB2328979B; ITRM980568A0; DE19738622A1; ITRM980568A1

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 A1 als bekannt hervorgeht.

Aus der DE 40 39 735 A1 ist ein Auspuffrohr bekannt, das ein metallisches Außenrohr aufweist. Dem Außenrohr folgt direkt ei ne Dämmschicht. Der isolierwirksamen Dämmschicht ist in Rich tung nach innen ein Innenrohr nachgeordnet. Damit weist das aus dieser Schrift vorbekannte Auspuffrohr im Querschnitt also fol genden prinzipiellen Aufbau auf: Außenohr/Isolierschicht/Innen rohr.

Das Außenrohr ist außenseitig von einer Korrosionsschutzschicht umgeben und ist aus einem metallischen Werkstoff hergestellt. Die Isolationsschicht bildet zwischen dem Außen- und dem Innen rohr eine Zwischenschicht. Der Werkstoff der Isolationsschicht ist vorzugsweise eine Keramikfaser aus SiO₂, Glasfaserstücke o der Kieselkur mit einem mittleren Durchmesser eines einzelnen Korns von kleiner 50 µm. Daher muss der Werkstoff der Isolati onsschicht gegen innen, d. h. gegen die innere Wandung des Au ßenrohrs abgestützt sein, da sie sich sonst ablösen und sich einzelne Fasern und/oder Körner durch den Auspuff entfernt wer den könnten. Die Aufgabe der Abstützung wird von dem Innenrohr übernommen. Das Innenrohr und damit das Bauteil, das direkt mit dem Abgas in Berührung kommt, ist aus einem hitze- und zunder beständigen Werkstoff hergestellt. Insbesondere handelt es sich bei dem Werkstoff um eine dünne Metallfolie mit einer Wanddicke unterhalb von 0,5 mm. Ferner weist das vorbekannte Auspuffrohr zwischen dem Innen- und zu Außenrohr noch eine Dämmschicht auf, die auch isolierwirksam ist. Diese Isolationsschicht ist kraft schlüssig und zwar insbesondere über eine Druckwirkung des In nenrohrs an der Innenwandung des Außenrohr angelegt. Ein bei einer Temperaturerhöhung notwendiger elastischer Ausgleich wird dadurch realisiert, daß am Außenrohr ein wellenkompensatorähn liches Element, insbesondere ein metallischer Faltenbalg, der am Außenrohr angeschweißt ist, angeordnet ist.

Aus der DE 32 29 271 A1 ist eine temperaturschockbeständige Auskleidung insbesondere für Auspuffkrümmer bekannt. Die kera mische Auskleidung besteht im wesentlichen aus einem Gemenge aus einem Lithium-Aluminium-Silkat und einem plastischen Roh stoff, wie insbesondere Ton oder Kaolin. Hierzu wird aus einem das Lithium-Aluminium-Silkat und den plastischen Rohstoff auf weisenden verflüssigten Gießschlicker eine Gipsform gegossen und diese Gipsform anschließend gesintert. Die gesinterte Gips form wird von einem Metall, insbesondere Aluminium ummantelt. Die Ummantelung erfolgt mittels Gießen, so daß die gesinterte Gipsform eine gewisse Stabilität und damit eine Mindestwand stärke aufweisen muß. Aus dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Wandstärke von 3 mm bekannt.

Aus der DE 39 26 919 A1 ist ein Gasführungskanal, insbesondere ein Auspuffrohr bekannt, das eine metallisches Außenrohr auf weist. Dem Außenrohr folgt direkt eine Isolierschicht. Der vorzugsweise aus einer Keramikfaser gebildeten Isolierschicht folgt in Richtung nach innen ein als Blechmantel ausgebildetes Innenrohr. Der vorbekannte Gasführungskanal weist auch hier den bereits aus der DE 40 39 735 A1 bekannten prinzipielle Quer schnitt nämlich Außenrohr/Isolierschicht/Innenrohr, auf. Entge gen der zuvor gewürdigten Schrift weist die aus dieser Schrift bekannte Isolierschicht gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 allerdings noch Verjüngungen auf. Diese sind zur Aufnahme von Buchten wellenförmiger Dehnglieder vorgesehen, die in den Blechmantel 3 eingeformt sind.

Aus der DE 29 17 586 C2 ist ein Auspufftopf bekannt, der Bau teile aufweist, die durch Email mit dem voremaillierten Außen mantel verbunden sind.

Aus der DE-OS 24 48 482 ist eine 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 Aus gestaltungen 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 wärme isoliert. 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 nähers 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 10⁶J/(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. 2 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

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

1. Abgasleitung für eine einen Katalysator aufweisende Abgasan lage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Motor eines Kraftfahrzeugs, wobei die Abgasleitung in Strö mungsrichtung des Abgases betrachtet vor dem Katalysator, ins besondere motornah angeordnet ist, bestehend aus einem außen seitig angeordneten Abgasrohr vorzugsweise aus einen metalli schen Werkstoff, sowie einer innenseitig mit dem Abgasrohr ver bundenen Isolierschicht, dadurch gekennzeichnet,
daß die Isolierschicht (2) einen direkten Kontakt zu dem Ab gas aufweist,
daß die Isolierschicht (2) mehrere Dünnstellen aufweist,
daß an einer Dünnstelle die Schichtdicke der Isolierschicht (2) um mindestens 50% und bevorzugt um mindestens 90% redu ziert 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 Schichtdicke der Isolierschicht (2) größer als 100 µm ist.

3. 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.

4. Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (2) aus mehreren räumlich voneinander getrennten Materialinseln (8) gebildet ist.

5. Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (2) Email und/oder Keramik und/oder Eloxal ist.