-
Die Erfindung betrifft ein Leitungselement für Abgase, das beispielsweise als sogenanntes Entkopplungselement in Kraftfahrzeugen zum Ausgleich von Einbautoleranzen und zur Entkopplung von Schwingungen zwischen dem Motor und nachfolgenden Teilen des Abgassystems eingesetzt werden kann.
-
Aus der
DE 20 2015 104 177 U1 sind verschiedene Ausführungsform von Leitungselementen bekannt, welche aus einem Innenschlauch und einem Außenschlauch bestehen, wobei in der Regel mindestens einer der Schläuche gasdicht ist. Weiterer Stand der Technik findet sich in der
DE 10 2015 102 258 A1 (Berührung von Innenschlauch und Außenschlauch),
WO 2017/016728 A1 (Leitungselement mit Reibkontaktschutz) und
WO 2018/077613 A1 (Leitungselement aus mehreren koaxialen Schläuchen). Alle genannten Dokumente werden durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
-
In modernen Dieselmotoren wird dem Abgas in der Regel ein Zusatzstoff (Katalysator) zur Abgasnachbehandlung beigefügt, insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden (AdBlue®). Dabei zeigt es sich, dass solche Zusatzstoffe die Funktion der oben beschriebenen Leitungselemente beeinträchtigen können.
-
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Leitungselemente mit verbesserten Betriebseigenschaften, insbesondere bei der Leitung von mit Zusatzstoffen versetzten Abgasströmen, bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Leitungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
-
Das erfindungsgemäße Leitungselement für Abgase enthält eine koaxiale Anordnung von drei Schläuchen, nämlich:
- - Einem Innenschlauch.
- - Einem den Innenschlauch umgebenden Mittelschlauch.
- - Einem den Mittelschlauch umgebenden Außenschlauch.
-
Das Leitungselement ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein axiales Ende des Innenschlauches axial verschiebebeweglich im Mittelschlauch gelagert ist.
-
Vorzugsweise ist das andere axiale Ende des Innenschlauches am Mittelschlauch und/oder am Außenschlauch fixiert. Des Weiteren ist das verschiebebewegliche Ende des Innenschlauches typischerweise das motorferne Ende, d.h. stromabwärts in Bezug auf den im Betriebszustand herrschenden Abgasstrom angeordnet.
-
Durch die verschiebebewegliche Lagerung (Schiebesitz) des Innenschlauches im Mittelschlauch ist es möglich, einen Innenschlauch mit verhältnismäßig hoher Steifigkeit zu verwenden, ohne dass die Flexibilität des gesamten Leitungselementes dadurch beeinträchtig wird. Dies ermöglicht es wiederum, einen gas- und/oder flüssigkeitsdichten Innenschlauch zu verwenden, welcher dem Abgas zugesetzte Stoffe wie beispielsweise einen Katalysator zurückhält und so potentielle Schäden am Leitungselement verhindert.
-
Typischerweise ist das Leitungselement so ausgestaltet, dass es an mindestens einem, vorzugsweise an beiden axialen Enden auf einen vorgegebenen Anschlussdurchmesser ausläuft, an welchem die Anbindung an ein Abgassystem (Motor bzw. restliche Abgasleitungen) erfolgen kann. Diesbezüglich ist es bevorzugt, wenn Innenschlauch, Mittelschlauch und/oder Außenschlauch an mindestens einem ihrer axialen Enden ein Anschlusselement aufweisen, welches einen gasdichten Übergang zu einem Anschlussende des Leitungselementes ermöglicht. Das Anschlusselement kann beispielsweise ein Rohrstück sein, welches einen Übergang vom Anschlussradius zum Radius eines Schlauches beinhaltet. Vorzugsweise weist das Leitungselement ein derartiges Anschlusselement auf, an welchem der Außenschlauch und/oder der Mittelschlauch fixiert ist.
-
Die Fixierung von Außenschlauch und/oder Mittelschlauch am Anschlusselement kann beispielsweise stoffschlüssig (z.B. durch Löten oder Schweißen) und/oder formschlüssig erfolgen.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Anschlusselement einen rohrförmigen Abschnitt auf, innerhalb dessen sich ein axiales Ende des Mittelschlauches und/oder des Innenschlauches erstreckt. Die Querschnittsform (kreisrund, oval etc.) des rohrförmigen Abschnittes entspricht dabei in der Regel der Querschnittsform des aufgenommenen Schlauches. Des Weiteren wird vorzugsweise sowohl der Mittelschlauch als auch der darin verschiebebewegliche Innenschlauch durch den rohrförmigen Abschnitt aufgenommen.
-
Für eine Fixierung des Mittelschlauches am Anschlusselement kann der vorgenannte rohrförmige Abschnitt beispielsweise eine Aufweitung aufweisen, in welche der Mittelschlauch formschlüssig eingreift. Eine solche Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie sich verhältnismäßig einfach montieren lässt.
-
Zusätzlich oder alternativ kann der Mittelschlauch eine Verdickung aufweisen, welche formschlüssig in das Anschlusselement eingreift, z.B. in die vorstehend erwähnte Aufweitung. Die Verdickung kann auf verschiedene Weisen gebildet werden, beispielsweise durch eine Verformung der Wand des Mittelschlauches oder durch eine Vervielfachung der Wandschichten.
-
Wie bereits erwähnt kann der Innenschlauch eine höhere Steifigkeit aufweisen als der Mittelschlauch und/oder der Außenschlauch, da dies aufgrund seiner verschiebebeweglichen Lagerung die Gesamtflexibilität des Leitungselementes nicht beeinträchtigt.
-
Der Außenschlauch ist vorzugsweise gasdicht, um eine Gasdichtheit des gesamten Leitungselementes zu gewährleisten.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Innenschlauch ein Wickelschlauch, welcher aus (mindestens) einem profilierten Band („Profilband“) durch Wickeln hergestellt worden ist, wobei benachbarte Profilbandwindungen im fertigen Wickelschlauch spaltfrei miteinander verbunden sind. Die „spaltfreie“ Verbindung oder Berührung benachbarter Profilbandwindungen ist dabei in einem makroskopischen Sinne zu verstehen derart, dass der maximale Abstand (Luftspalt) zwischen den benachbarten Profilbandwindungen weniger als 0.1 mm, vorzugsweise weniger als 0.05 mm, besonders bevorzugt weniger als 0.01 mm betragen soll. Eine solche Spaltfreiheit hat zur Folge, dass der Innenschlauch für praktische Zwecke als flüssigkeitsdicht angesehen werden kann, da eine eventuell noch stattfindende Leckage von Flüssigkeit aus dem Innenschlauch heraus in einer vernachlässigbaren Größenordnung bleibt.
-
Eine absolute Dichtheit, insbesondere eine Gasdichtheit, soll dabei nicht ausgeschlossen sein; sie ist jedoch nicht unbedingt für den Innenschlauch erforderlich. Des Weiteren liegt die beschriebene Spaltfreiheit der Verbindung bzw. Berührung benachbarter Profilbandwindungen typischerweise entlang des gesamten schraubengangförmigen Kontaktbereiches zwischen benachbarten Profilbandwindungen vor, sodass an keiner Stelle des Innenschlauches eine Spaltverbindung zum Außenbereich existiert.
-
Die Flüssigkeitsdichte des Innenschlauches führt dazu, dass (im Wesentlichen) keine flüssigen Zusatzstoffe wie beispielsweise ein zugesetzter Katalysator zur Reduktion von Stickoxiden aus dem Abgasstrom in den Zwischenraum zwischen Innenschlauch und Außenschlauch gelangen. Dadurch werden Funktionsbeeinträchtigungen vermieden, welche durch eine Versottung und/oder Auskristallisation dieser Zusatzstoffe entstehen könnten. Auf diese Weise wird ein robustes, langlebiges Leitungselement bereitgestellt.
-
Für die Ausgestaltung eines derartigen Innenschlauches gibt es verschiedene Möglichkeiten.
-
Insbesondere können die Randabschnitte benachbarter Profilbandwindungen miteinander verhakt sein, wobei geeignete Randgeometrien beispielsweise der
DE 20 2015 104 177 U1 entnommen werden können.
-
Zusätzlich oder alternativ können die Randabschnitte benachbarter Profilbandwindungen miteinander stoffschlüssig verbunden sein, beispielsweise durch Schweißen oder Löten (vgl.
DE 10 2010 037 772 A1 ).
-
Weiterhin zusätzlich oder alternativ können die Randabschnitte benachbarter Profilbandwindungen miteinander verpresst, verstemmt, gerändelt oder getoxt sein.
-
Durch die genannten Ausgestaltungen der Randabschnitte kommen diese in einen engen und damit spaltfreien Kontakt. Die Ausgestaltungen können dabei vorzugsweise noch miteinander kombiniert werden. Insbesondere können anfänglich nicht spaltfreie, bewegliche Verhakungen von Randabschnitten, wie sie beispielsweise aus der
DE 20 2015 104 177 U1 bekannt sind, durch Verpressung in eine wie oben definierte spaltfreie Form überführt werden.
-
Durch die spaltfreie Verbindung bzw. Berührung benachbarter Profilbandwindungen geht in der Regel eine axiale Streckbarkeit (und Stauchbarkeit) des Wickelschlauches verloren, welche bei herkömmlichen Leitungselementen eine gewünschte Flexibilität gewährleistet. Um diese Auswirkung zu kompensieren, kann das Profilband, aus dem der Wickelschlauch hergestellt ist, elastische Kompressionsabschnitte aufweisen. Diese Abschnitte, die sich im fertigen Wickelschlauch typischerweise parallel zur Achse des Schlauches erstrecken, sind in axialer, radialer und/oder torsionaler Weise elastisch. Vorzugsweise sind derartige Kompressionsabschnitte als im axialen Schnitt wellenförmige Einschnürungen bzw. Ausbauchungen ausgebildet. Durch die Kompressionsabschnitte wird eine Flexibilität des Wickelschlauches auf Basis des elastischen Werkstoffverhaltens erreicht, auch wenn benachbarte Profilbandwindungen aneinander fixiert sind.
-
Zusätzlich ist zur Steigerung der Flexibilität des Leitungselementes der Innenschlauch an einem axialen Ende relativ zum Außenschlauch fixiert und am gegenüberliegenden anderen axialen Ende relativ zum Außenschlauch axial verschiebebeweglich gelagert. Eine gegebenenfalls größere Steifheit des Innenschlauches gegenüber dem Außenschlauch kann auf diese Weise ausgeglichen werden, da sich ein Ende des Innenschlauches relativ zum Außenschlauch axial frei verschieben kann. Vorzugsweise wird das in Bezug auf das Abgas stromabwärts gelegene Ende des Innenschlauches verschiebebeweglich gelagert.
-
Eine weitere Ausgestaltungsform der Lagerung des Innenschlauches sieht neben der einseitigen Verschiebebewegung auf der anderen Seite statt einem Festlager ein Lager mit Freiheitsgraden in ein bis drei Raumrichtungen, vorzugsweise in vier Raumrichtungen vor.
-
Der Innenschlauch, der Mittelschlauch und der Außenschlauch stehen vorzugsweise punktuell, linienförmig, teilflächig oder vollflächig miteinander in Kontakt. Hierdurch wird bereits ohne weitere Zusatzmaßnahmen oder Komponenten (wie beispielsweise ein Dämpfungsmaterial) konstruktiv eine Schwingungsdämpfung erreicht.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein reibminderndes Material im Kontaktbereich von Innenschlauch, Mittelschlauch und/oder Außenschlauch vorgesehen. Das reibmindernde Material kann beispielsweise als Beschichtung oder in Form einer geeigneten Werkstoffauswahl der Außenlage eines mehrlagigen Schlauchmaterials ausgebildet werden. Von zwei Lagen eines Schlauches bzw. Profilbandes kann insbesondere eine als Trägerschicht fungieren und die zweite Lage die reibmindernde Schicht (Verschleißträgerschicht) ausbilden. Vorzugsweise ist das reibmindernde Material weicher als das Material des Reibpartners. Geeignete reibmindernde Materialien umfassen Edelstahl, Stahl, Zink, Zinkphosphat, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Bornitrid, Kupfer, Titan, Tantal, Keramik, Nickel, Nickelbasislegierungen, Graphit, Aramide, Messing, Bronze und/oder Molybdänsulfid. Weitere Einzelheiten zu einer solchen Ausführungsform finden sich in der
WO 2017/016728 A1 .
-
Zusätzlich oder alternativ kann der Mittelschlauch aus einem solchen reibmindernden Material, z.B. Kupfer, bestehen.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine reibmindernde Schicht im Kontaktbereich von Innenschlauch, Mittelschlauch und/oder Außenschlauch vorgesehen. Die reibmindernde Schicht kann beispielsweise als Beschichtung beispielhaft im PVD oder CVD Verfahren oder in Form einer geeigneten Werkstoffauswahl der Außenlage eines mehrlagigen Schlauchmaterials ausgebildet werden. Von zwei Lagen eines Schlauches bzw. Profilbandes kann insbesondere eine als Trägerschicht fungieren und die zweite Lage die reibmindernde Schicht (Verschleißträgerschicht) ausbilden. Vorzugsweise ist die reibmindernde Schicht weicher als das Material des Reibpartners. Geeignete Materialien für die reibmindernde Schicht umfassen Edelstahl, Stahl, Zink, Zinkphosphat, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Titan, Tantal, Keramik, Nickel, Nickelbasislegierungen, Graphit, Aramide, Messing, Bornitrid, Bronze und/oder Molybdänsulfid. Weitere Einzelheiten zu einer solchen Ausführungsform finden sich in der
WO 2017/016728 A1 .
-
Der Außenschlauch des Leitungselementes kann als ein Wellbalg, ein Wickelbalg, oder ein Membranbalg ausgebildet sein. Wellbälge werden typischerweise durch eine in Verbindung mit einer Stauchoperation erfolgende Innenhochdruckumformung aus einem Rohr hergestellt. Wickelbälge und Membranbälge sind im Profilbereich verschweißte, rotationssymmetrische oder wendelgewellte Elemente, die entweder zur Rotationsachse senkrecht ausgeprägte Wellungen oder spiralförmige Wellungen aufweisen. Eine gewickelte Balgstruktur kann vorzugsweise formschlüssig eingehakt oder überlappend oder stoffschlüssig verschweißt sein. Derartige Elemente werden beispielsweise in der
DE 10 2008 001 297 A1 oder der
DE 10 2011 053 131 A1 beschrieben.
-
Jeder der Schläuche des Leitungselementes, insbesondere der Innenschlauch, kann zumindest in einem axialen Abschnitt des Leitungselementes einen nicht kreisförmigen („unrunden“) Querschnitt aufweisen, vorzugsweise einen ovalen oder mehreckigen Querschnitt. Bei Platzierung eines Schlauches mit unrundem Querschnitt in einem Schlauch mit rundem Querschnitt (oder andersartig unrundem Querschnitt) kann über einen Linienkontakt für ein gedämpftes Schwingungsverhalten gesorgt werden. Weitere Einzelheiten solcher Ausführungsformen können der
DE 10 2015 102 258 A1 , der
DE 10 2018 102 101 A1 oder der
DE 10 2012 013 946 A1 entnommen werden.
-
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der beigefügten Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 einen Längsschnitt entlang der Erstreckungsachse eines erfindungsgemäßen Leitungselementes;
- 2 eine vergrößerte separate Darstellung des Innenschlauches von 1.
-
1 zeigt einen Schnitt entlang der Längsachse durch die Wand eines Leitungselementes 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Leitungselement 100 erstreckt sich zwischen zwei Anschlusselementen 101 und 102, die an der Eingangsseite des Abgases (links in der Figur) bzw. der Ausgangseite des Abgases (rechts) vorgesehen sind und zur Anbindung an die anderen Komponenten des Motors und der Abgasanlage vorgesehen sind. Das Leitungselement 100 besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten, nämlich:
- - Einem radial außen liegenden gasdichten Außenschlauch „AS“, der im Ausführungsbeispiel die Form eines wendelgewellten Membranbalgs 110 hat.
- - Einem koaxial im Außenschlauch AS angeordneten Mittelschlauch „MS“, welcher als einfach eingehakter Wickelschlauch 130 aus schraubengangförmig umlaufenden Windungen eines Profilbandes ausgebildet ist. Typischerweise besteht der Mittelschlauch aus einem reibmindernden Material wie beispielsweise Kupfer.
- - Einem koaxial im Mittelschlauch MS angeordneten Innenschlauch „IS“, welcher als Wickelschlauch 120 aus schraubengangförmig umlaufenden Windungen eines Profilbandes ausgebildet ist.
-
Der zuletzt erwähnte Innenschlauch IS ist in 2 vergrößert dargestellt. Er ist im Ausführungsbeispiel zweilagig ausgeführt, das heißt, das Profilband 121 besteht aus einer Innenlage 124 aus einem harten Trägermaterial und einer reibmindernden und in der Regel weicheren Außenlage 125. Hierdurch wird ein Reibschutz im Kontaktbereich zum angrenzenden Schlauch erzielt. Die Dicke der Außenlage 125 (z.B. Kupfer) kann beispielsweise ca. 0.01 mm betragen bis hin zu 0.5 mm, die der Innenlage 124 (z.B. Edelstahl der Sorte 1.4828) ca. 0.1 mm bis hin zu 0.5 mm betragen.
-
Statt durch einen mehrlagigen Innenschlauch IS kann eine Reibminderung auch dadurch erzielt werden, dass der Mittelschlauch MS aus einem reibmindernden Material besteht, beispielsweise aus Kupfer.
-
Das Profilband 121, aus dem der Innenschlauch IS gewickelt ist, ist mit einem mittleren Kompressionsabschnitt 122 versehen, welcher im Längsschnitt von 2 wellenförmig ist. Durch die Kompressionsabschnitte 122 erhält der Innenschlauch IS eine gewünschte (insbesondere axiale) Flexibilität.
-
Die Ränder 123 des Profilbands 121 sind um 180° umgebogen zwecks Verhakung mit dem Rand einer benachbarten Profilbandwindung. Anders als bei einem herkömmlichen Wickelschlauch wird die Verhakung jedoch nicht mit einem Spiel ausgeführt, welches eine relative axiale Bewegung benachbarter Profilbandwindungen erlauben würde. Stattdessen sind benachbarte Profilbandwindungen durch Verpressung spaltfrei miteinander verbunden. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine stoffschlüssige Verbindung benachbarter Profilbandwindungen im Überlappungsbereich erfolgen, beispielsweise durch Schweißen oder Löten.
-
Durch die spaltfreie Fixierung benachbarter Profilbandwindungen aneinander wird der Innenschlauch IS für praktische Zwecke flüssigkeitsdicht und kann daher das Eindringen von Flüssigkeiten wie beispielsweise Katalysatoren (AdBlue®) aus dem Abgas im Innenschlauch in den Zwischenraum zwischen Innenschlauch in Außenschlauch AS verhindern. Damit werden Probleme durch eine Versteifung des Systems aufgrund der Versottung und/oder Kristallisolation solcher Stoffe vermieden.
-
Um eine ausreichende axiale Flexibilität des Leitungselementes 100 trotz der Fixierung benachbarter Profilbandwindungen des Innenschlauches zu gewährleisten, ist in der dargestellten Ausführungsform (neben den Kompressionsabschnitten 122) ein einseitiger Schiebesitz vorgesehen. Dabei sind die stromaufwärtigen Enden 126 des Innenschlauches IS und des Mittelschlauches MS über das Anschlusselement 101 mit dem Außenschlauch AS fest verbunden, während das stromabwärtige Ende des Innenschlauches IS über einen Schiebesitz im dortigen Anschlusselement axial verschiebebeweglich gegenüber dem Außenschlauch gelagert ist.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist speziell der Innenschlauch IS axial verschiebebeweglich im Ende des Mittelschlauches MS gelagert, wobei dieses Ende des Mittelschlauches MS wiederum am stromabwärtigen Anschlusselement 102 fixiert ist. Eine solche Fixierung kann beispielsweise stoffschlüssig erfolgen, etwa durch Schweißen.
-
In 1 ist indes eine formschlüssige Fixierung dargestellt, bei welcher das Anschlusselement 102 einen rohrförmigen Abschnitt 102a mit einer radialen Aufweitung 102b aufweist, die vorzugsweise radial geschlossen umlaufend ist. In diese Aufweitung 102b greift der Mittelschlauch MS mit einer Verdickung 131 formschlüssig ein.
-
Die Verdickung 131 ist im dargestellten Beispiel durch eine zusätzliche gewickelte Außenlage des Schlauches gebildet, die mit dem Mittelschlauch MS beispielsweise durch Löten oder Schweißen verbunden sein kann. Alternativ könnte die Verdickung auch durch eine lokale, radial nach außen gerichtete Umformoperation erzeugt werden.
-
Der Innenschlauch IS und/oder der Mittelschlauch MS hat im Querschnitt (senkrecht zur Zeichenebene) vorzugsweise eine unrunde, beispielsweise ovale Form, während der Querschnitt des Außenschlauches AS kreisförmig ist. Dadurch kommt es zu einem Linienkontakt zwischen Innenschlauch IS und Außenschlauch AS, welcher für ein gewünschtes Dämpfungsverhalten des gesamten Systems besorgt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 202015104177 U1 [0002, 0021, 0024]
- DE 102015102258 A1 [0002, 0033]
- WO 2017/016728 A1 [0002, 0029, 0031]
- WO 2018/077613 A1 [0002]
- DE 102010037772 A1 [0022]
- DE 102008001297 A1 [0032]
- DE 102011053131 A1 [0032]
- DE 102018102101 A1 [0033]
- DE 102012013946 A1 [0033]
