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Die
Erfindung betrifft ein Abgasbauteil für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
Brennkraftmaschinen dient die Abgasanlage, die verschiedene Abgasbauteile
umfaßt,
zum Abtransport der bei der Verbrennung entstehenden heißen Abgase.
Die wesentlichen Abgasbauteile bei Kraftfahrzeugen sind Abgaskrümmer, Vorrohr,
Abgaskatalysator, und Auspuffanlage.
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Der
Abgaskatalysator dient zur Reduzierung der bei Verbrennung anfallenden
Schadstoffe. Eine effektive Reduzierung der Schadstoffe findet aber erst
ab einer gewissen Mindesttemperatur des Katalysators statt. Um ein
schnelles Erreichen der Betriebstemperatur nach einem Motorstart
zu gewährleisten,
sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Eine Möglichkeit
besteht darin, einen zusätzlich
motornahen Vorkatalysator einzusetzen. Aufgrund der kurzen Wegstrecke
zwischen Motor und Vorkatalysator kühlen die Abgase nur wenig ab und
heizen deshalb den Vorkatalysator schneller auf.
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Eine
weitere Möglichkeit
für eine
schnelle Katalysatoraufheizung besteht darin, alle oder einige Abgasbauteile,
die zwischen Motor und Katalysator liegen, entsprechend zu isolieren,
um so eine Abkühlung
der Abgase auf dem Weg zum Katalysator zu verhindern.
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Außerdem kann
der Katalysator selbst mit einer Isolierung versehen sein. Dadurch
wird ebenfalls die Wärmeabgabe
in den Außenraum
verhindert und sein schnelles Aufheizen begünstigt.
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Solche
Isolierungen senken zusätzlich
die Temperatur der Oberflächen
der Abgasbauteile. Dadurch werden die an die Abgasbauteile angrenzenden
Kraftfahrzeugteile weniger stark thermisch belastet. Dies ist insbesondere
dann von Bedeutung, wenn Kunststoffteile nahe der Abgasbauteile
angeordnet sind.
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Eine
derartige Isolierungsmaßnahme
ist unter dem Begriff "Luftspaltisolierung" bekannt und für eine Abgasleitung
in der Druckschrift
DE
42 02 079 A1 beschrieben. Hierbei ist eine innere Abgasleitung von
einer äußeren Abgasleitung
umgeben, wobei ein dazwischen liegender luftgefüllter Spalt als Isolierung dient.
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Darüber hinaus
zeigt die Druckschrift
DE
38 15 408 A1 eine Abgaseinrichtung für Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen
mit einem wassergekühlten
Auspuffsammler und mit einer darin in einem luft- bzw. gasgefüllten Raum
gehaltenen rohrförmigen Abgasleitung.
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Zudem
ist in der Druckschrift
EP
0 560 616 A1 ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine mit einem
innerhalb eines Vakuummantels geführten Abgaskanal beschrieben.
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Solche
luftspaltisolierten Abgasbauteile, die normalerweise aus Metall
hergestellt sind, besitzen folgende Nachteile.
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Allgemein
reagieren Metalloberflächen
bei höheren
Temperaturen (ab ca. 600° C)
mit dem in der Luft vorhandenen Sauerstoff. Diese Reaktion wird auch
als Anlaufen bezeichnet. Der Infrarot-Emissionsgrad ε einer angelaufenen
Metalloberfläche
liegt erheblich höher
als der einer entsprechenden polierten metallisch glänzenden
Oberfläche.
Bei gleicher Temperatur strahlt die Oberfläche mit dem größeren Infrarot-Emissionsgrad ε bekanntermaßen mehr Wärme ab.
Für die
Absorption von Wärmestrahlung gilt
entsprechendes.
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Ein
herkömmliches
luftspaltisoliertes Abgasbauteil weist im wesentlichen vier Oberflächen auf, die
alle mit Sauerstoff in Berührung
kommen und deshalb „anlaufen" können.
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Die
Erhöhung
des Infrarot-Emissionsgrads ε führt nachteilig
zu einer verstärkten
Wärmeabstrahlung
der Metalloberfläche
und damit zu einem vermehrten Wärmeabtransport
in Richtung Außenraum. Da
der Wärmetransport
zwischen den den Luftspalt begrenzenden Oberflächen bei normalen Betriebstemperaturen
hauptsächlich über Wärmestrahlung erfolgt,
ist dieser Effekt insbesondere bei luftspaltisolierten Abgasbauteilen
sehr ausgeprägt
und die Isolierwirkung des Luftspalts nimmt ab. Aufgrund des größeren Wärmeabtransports
kühlen
die heißen
Abgase stärker
ab. Gleichzeitig wird auch die Oberfläche des Abgasbauteils heißer.
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Im
Temperaturbereich von 800 bis 900°C, der
normalen Betriebstemperatur von Abgasbauteilen, ist bereits ein
deutliches Anlaufen der Metalloberflä chen zu verzeichnen und die Änderung
des Infrarot-Emissionsgrads ε u.U.
erheblich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein luftspaltisoliertes Abgasbauteil
zu schaffen, das gegenüber
dem Stand der Technik eine verbesserte Isolationswirkung aufweist.
Die verbesserte Isolationswirkung soll insbesondere das Anlaufen
bzw. die Oxidation der Oberflächen
vermeiden, um den Emissionsgrad des Abgasbauteils gering zu halten,
so dass das Abgasbauteil selbst möglichst schnell aufgeheizt
werden kann und zu dem Abgasbauteil benachbarte Teile des Kraftfahrzeuges
thermisch weniger stark belastet werden. Gleichzeitig soll dieses
Abgasbauteil kostengünstig
und einfach herstellbar sein.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Die
wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, den Luftspalt eines
luftspaltisolierten Abgasbauteils luftdicht abzuschließen und
mit einem Inertgas zu füllen.
Das Inertgas verhindert eine Reaktion mit Sauerstoff und damit ein
Anlaufen der an den Luftspalt angrenzenden Metalloberflächen. Dadurch tragen
diese nicht angelaufenen Oberflächen
weniger zum Wärmetransport
in den Außenraum
bei. Die Oberfläche
des Abgasbauteils wird einerseits weniger heiß. Gleichzeitig kühlen die
Abgase beim Durchgang durch dieses Abgasbauteil weniger ab. Sind solche
Abgasbauteile vor dem Katalysator angeordnet, so erreichen die Abgase
diesen mit einer höheren
Temperatur. Dies fördert
insbesondere nach einem Motorkaltstart das schnelle Erreichen der
Betriebstemperatur des Katalysators.
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In
gleicher Weise kann der Abgaskatalysator selbst mit einer solchen
erfindungsgemäßen Luftspaltisolierung
versehen sein. Durch diese Maßnahme
wird ebenfalls ein schnelleres Erreichen der Betriebstemperatur
des Katalysators erzielt.
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Weiterentwicklungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels nähe erläutert. Es
zeigen:
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1 schematische Darstellung
eines Abgasanlage mit einem erfindungsgemäßen Abgasbauteil
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2 schematische Darstellung
eines erfindungsgemäßen Abgaskatalysators
gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
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3 schematische Darstellung
eines Abgaskatalysators gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel.
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In 1 ist eine Brennkraftmaschine
mit einem Motor 1, der mit einer Abgasanlage 3 verbunden ist,
dargestellt. Die Abgasanlage 3 besteht im wesentlichen
aus folgenden Abgasbauteilen: einem Abgaskrümmer 4, einem Vorrohr 5,
einem Katalysator 7 und einer nicht näher dargestellten Auspuffanlage 8. Das
Vorrohr 5 weist ein doppelwandiges Gehäuse 6 auf mit einen
inneren Mantel 5a und einem äußeren Mantel 5b. Der äußere Mantel 5b ist
an seinen Enden jeweils über
Mantelabschnitte 15, 16 mit dem inneren Mantel 5a verbunden.
Der äußere Mantel 5b und
der innere Mantel 5a schließen einen gasdichten Luftraum 13 ab,
der von den Oberflächen 30 bzw. 31 begrenzt
wird. Die Fließrichtung
der Abgase ist durch einen Pfeil markiert. Die Abgase kommen mit
der inneren Oberfläche 32 des
inneren Mantels 5a, die Atmosphärengase mit der äußeren Oberfläche 33 des äußeren Mantels 5b in
Berührung.
Ein Anlaufen dieser Oberflächen 32 und 33 läßt sich
nicht verhindern.
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In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des
Katalysator 7 schematisch dargestellt. Das Gehäuse 25 des
Katalysators 7 ist ebenfalls doppelwandig ausgeführt, mit
einem inneren Mantel 25a und einem äußeren Mantel 25b,
die einen gasdichten Luftraum 23 abschließen. Der
Luftraum 23 wird von den Oberflächen 40 und 41 begrenzt.
Der äußere Mantel 25b weist
an seinen Enden jeweils Membranverbindungen 27a, 27b zur
Verbindung mit dem inneren Mantel 25a auf. Die Membranverbindung 27a, 27b dienen
zum besseren Ausgleich von Wärmeausdehnungen.
Im abgeschlossenen Luftraum 23 entsteht durch die Erwärmung auf über 600°C ein erheblicher Überdruck.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des
Katalysators 7. Hierbei weist der äußere Mantel 25b an
seinen Enden Mantelabschnitte 29a, 29b zur Verbindung
mit dem inneren Mantel 25a. Der Luftraum 23 wird
von den Oberflächen 40a bzw. 41a begrenzt.
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Zur
Vermeidung des störenden Überdrucks im
Luftraum 13 bzw. 23 ist alternativ vorgesehen,
den Druck des Inertgases bei Raumtemperatur auf unter 1 bar vorteilhaft
auf ca. 300 mbar einzustellen.
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Nachfolgend
ist die Funktionsweise der Erfindung näher erläutert.
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In
den Ausführungsbeispielen
gemäß 1 bis 3 ist der Luftraum 13 bzw. 23 erfindungsgemäß gasdicht
abgeschlossen und mit einem Inertgas gefüllt.
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Bei
dem Inertgas kann es sich um ein Edelgas oder um kostengünstigeren
Stickstoff handeln. Die an den Luftraum 13 bzw. 23 angrenzenden
Oberflächen 30, 31 bzw. 40, 41,
bzw. 40a, 41a kommen somit nicht mit Sauerstoff
in Berührung.
Dadurch wird ein Anlaufen dieser Oberflächen beim Betrieb der Brennkraftmaschine
verhindert.
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Als
Folge davon ändert
sich ihr Wärmekoeffizient ε auch bei
längerem
Betrieb der Brennkraftmaschine nicht. Diese Oberflächen 30,31; 40, 41;
bzw. 40a, 41a sind poliert und behalten ihren
geringen Infrarot-Emissionsgrad ( < 0.1)
bei. Aufgrund des geringen Infrarot-Emissionsgrads ε strahlen
die Oberflächen 30, 40 bzw. 40a weniger
Wärmestrahlung
in Richtung der Oberflächen 31, 41 bzw. 41a ab.
Da der Wärmekoeffizient ε dieser Oberflächen 31, 41 bzw. 41a ebenfalls
klein bleibt, absorbieren diese Oberflächen weniger von den Oberflächen 30, 40 bzw. 40a abgestrahlte
Wärmestrahlung
und nehmen dadurch weniger Energie auf. Somit erwärmt sich
der äußere Mantel 5b bzw. 25b erheblich
weniger. Dadurch wird aber gleichzeitig das Anlaufen der Außenseite
des äußeren Abgasrohrs 15 bzw.
der Abschirmung 25 verringert und damit ebenfalls deren
Wärmeabstrahlung
in den Außenraum
reduziert. Bei Abgasbauteilen durch die das Abgas relativ schnell
strömt
(z.B. Krümmer
und Vorrohr) wird dadurch eine verminderte Abkühlung der heißen Abgase
erreicht. Bei einem Katalysator wird durch die verbesserte Isolierung
erreicht, daß das
eigentliche Katalysatorelement weniger Wärme abgibt.
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Beim
Einsatz der erfindungsgemäßen Isolierung
bei Abgasbauteilen, die vor dem Katalysator 7 angeordnet
sind, bzw. dem Katalysator 7 selbst wird somit ein schnelles
Aufwärmen
des Katalysators 7 nach einem Motorstart erreicht und gleichzeitig
die Oberflächentemperatur
der Abgasbauteile insgesamt verringert.