DE2549256C2 - Wärmeisolierte Anordnung zur Durchleitung von unter hohen Temperaturen stehenden Gasen - Google Patents

Wärmeisolierte Anordnung zur Durchleitung von unter hohen Temperaturen stehenden Gasen

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Description

Die Erfindung beziehf sich auf eine wärmeisolierte Anordnung zur Durchleitung vo,- unter hohen Temperaturen stehenden Gasen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Anordnungen sind beispielsweise für Abgasleitungen von Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, bereits bekannt (US-PS 35 68 723). Durch diesen Aufbau mit einem inneren, keramischen Kern und einem äußeren, direkt um den Kern gegossenen Metallmantel wird eine günstige Wärmeisolierung der durch die Abgasleitung strömenden Abgase erreicht, so daß das Temperaturniveau in der Abgasleitung auf einer solchen Höhe gehalten werden kann, die für eine Nachverbrennung der im Zylinder nicht vollständig verbrannten Abgas-Bestandteile günstigste Voraussetzungen bietet. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß im Gegensatz zu einer äußeren Wärmeisolierung der metallische Rohrleitungsmantel nur geringen Temperaturen ausgesetzt ist und infolgedessen auch für den Zylinderkopf, an dem die Rohrleitung unmittelbar angeflanscht ist, keine zusätzlichen thermischen BeIastungen, etwa durch Wärmeleitung, auftreten. Da zudem der metallische Rohrleitungsmantel durch Umgießen des keramischen Kerns hergestellt wird, ergibt sich ein fester Verbund zwischen dem Kern und dem Mantel, der auch bei Berücksichtigung der im Betrieb auftreten- &o den Wärmedehnungen erhalten bleibt.
Die der Erfindung zugrunde Ijegende Aufgabe ist nun darin zu sehen, eine wärmeisolierte Anordnung zu schaffen, deren Thermoschockbeständigkeit gegenüber derjenigen der bekannten Anordnung verbessert ist.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichendes Patentanspruchs I.
Während die Fachwelt bisher von der Verwendung von Tonerde-Silikat-Fasern bei Temperaturen oberhalb von etwa 11000C abgehalten wurde, weil dann eine Entglasung des Materials und damit eine Abnahme der Festigkeit auftrat, wird durch die während der Sinterung des erfindungsgemäßen Gemisches aus Tonerde-Silikat-Fasern und Aluminiumoxidpulver auftretende Materialveränderung der Tonerde-Silikat-Fasern die Voraussetzung für die Erreichung einer besonders hohen Thermoschockbeständigkeit des keramischen Kernes geschaffen-Zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen wärmeisolierten Anordnung ergeben sich gemäß den Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darsteüungsweise einen Längsschnitt durch ein zweistutziges Abgassammeirohr, das auf einer Seite eines Vierzylinder-Boxermotors an den Zylinderkopf angeflanscht ist Dabei ist mit 1 der Zylinderkopf und mit 2 das Abgassammeirohr bezeichnet, das zwei am Zylinderkopf angeflanschte Abgaseintrittsstutzen 3 und 4 aufweist, die zu einem gemeinsamen Abgasrohr 5 zusammenlaufen. Wie aus der Zeichnung weiter hervorgeht, weist das Abgassammeirohr 2 einen inneren, als Hohlkörper ausgeführten keramischen Kern 6 auf, un* den der äußere Metallmantel 7 herumgegossen ist
Bei dem Umgießen dient der keramische Hohlkörper 6 als Gießkern, auf den der Gußmantel beim Erstarren der Metallschmelze aufschrumpft, wodurch sich eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Metallmantel und dem keramischen Kern ergibt Die dabei auftretende Vorspannung muß so groß sein, daß selbst bei den höchsten im Betrieb auftretenden Wandtemperaturen ein Aufheben dieser Verbindung durch unterschiedliche Wärmedehnung nicht auftreten kann.
Die Wandstärke des keramischen Hohlkerns sollte zwischen 4 und 12 mm und vorr'igsweise zwischen 5 und 8 mm liegen, um eine optimale Isolierwirkung und damit günstige Voraussetzungen für eine wirkungsvolle Nachverbrennung der in den Abgasen enthaltenen unverbrannten Schadstoffe zu erzielen.
Der keramische Kern soll gemäß der Erfindung zumindest teilweise aus einem Silikat-Faser-Material bestehen, und zwar vorzugsweise aus einem Gemisch von 30—60Vol.-% Aluminiumoxid (AbO3)-Pulver und 70—40 Vol.-% Tonerde-Silikat-Fasern, das bei Temperaturen im Bereich von 1200—15500C gesintert ist Es hat sich gezeigt, daß ein derartiges keramisches Material überragende Thermoschockeigenschaften aufweist und sich besonders gut für den keramischen Kern eines solchen mit einem Metallmantel im Umgußverfahren hergestellten Abgassammeirohr eignet Dabei können diesem Gemisch aus Aluminiumoxid-Pulver und Tonerde-Silikat-Fasern noch Zusätze von beispielsweise 5—20Gew.-% Zirkonsilikat und sonstige stabilisierende Zusätze wie z. B. Chromoxid, Manganoxid und Kupferoxid beigemischt werden. Auch ist es möglich, diesem Gemisch katalytisch wirksame Zusätze wie beispielsweise Edelmetalle oder seltene Erden zuzufügen. Anstelle dieser relativ teuren katalytischen Zusätze können auch Zugaben von nicht edlen Katalysatoren, beispielsweise ein bis IOGew.-% eines oder mehrerer Elemente der Gruppe Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel oder Kupfer, eines oder mehrerer Oxide oder anderer Verbindungen dieser Elemente, vorgenommen werden.
Insgesamt sollten diese Zugaben nicht mehr als 10Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht aus Aluminiumoxid-Pulver und Tonerde-Silikat-Fasern ausmachen.
Beispiel 1 D
Zur Herstellung eines etwa gemäß der Zeichnung ausgebildeten Abgassammeirohres werden 50Vol.-% Aluminiumoxid-Puiver und 50 VoI.-% Tonerde-Süikat-Fasern in einem wäßrigen Silikatbinder unter Zugabe von 0,5Gew.-% Chromoxid (Cr2O3) vermischt Diese Masse wird über einer dem Abgasströmungskanal entsprechenden Wachsform geformt und von außen mit Formpressen, die ebenfalls aus Wachs bestehen, kalibriert. Der so entstandene Formkörper wird is zunächst bei etwa 40—500C ein bis zwei Tage und anschließend bei 1500C ca. 1 bis 2 Stunden getrocknet, um schließlich bei Temperaturen von 13500C 10 Stunden lang gebrannt zu werden. Dieser keramische Kern kann jetzt als Gießkern für das Umgießen des metallischen GuSrnantels verwendet werden, wobei ein sogenanntes Wachsausschmelzverfahren verwendet wird. Dazu wird auf den keramischen Kern ein Wachsmodell modelliert, wobei Kernmarken zur exakteren Halterung und Fixierung des keramischen Kerns mit eingeformt werden. Auf den äußeren Mantel dieses Wachsmodells wird eine hydraulisch oder chemisch-keramisch abbindende Schicht aus einem Aluminiumsilikat-Zement mit einem Zirkon-Silik?tzusatz aufgebracht, die nach dem Ausschmelzen des Wachsmodells die äußere Kontur des metallischen Rohrmantels festlegt Diese Gießform wird jetzt in einem Formkasten in grobe Gießmassen, z. B. in Gießsand, eingelegt, worauf nach Anbringung von Gießtrichtern und dergleichen das Gießen, vorzugswei- J5 se mit einer Grauguß- oder Aluminiumschmelze, vorgenommen wird.
Ein solches mit einem äußeren Grauguß-Metallmantel versehenes Abgasrohr hat im Betrieb d.h. bei Beaufschlagung mit heißem Abgas ohne wesentliche Beschädigungen 102 Stunden Vollast ausgehalten, wobei Innentemperaturen von mehr als 9000C, nämlich im Bereich von 950—10000C und Außentemperaturen an der Gußwand von nur 130—2700C auftraten.
Beispiel 2
30VoL-% Aluminiumoxid (Al2O3J-PuIvCr und 70VoL-% Tonerde-Silikat-Fasern werden mit 5Gew.-% Zirkonsilikat und 5Gew.-% Chromoxid (Cr2O3) mit einem wäßrigen Silikatbinder gemischt, wobei die Gewichtspnozentangaben der Zusätze auf das Gewicht des Aluminiumpulvers und der Silikatfasern bezogen sind. Aus dieser Masse werden zwei in Längsrichtung geteilte Halbschalen geformt die in ihren Abmessungen dem keramischen Kern des Abgasrohres entsprechen. Diese Formkörper werden zunächst getrocknet wobei sie ca. 1 —2 Tage bei 40 bis 500C und anschließend ca. 1—2 Stunden bei 1500C gehalten werden, und schließlich bei 13500C ü^r 10 Stunden gebrannt Die später von dem Abgas beaufschlagte Innenfläche der Halbschalen wird vor dem Brennen mit einem wäßrigen Schlicker aus sehr feinkörnigem Aluminiumoxid (Al2O3)-Pulver dessen Korngrö3e 3—10 μ befägt und dem 5 Gew.-% Chromoxid (Cr2O3) zugemischt sind, zwecks Erhöhung der Erosionsfestigkeit der Innenkontur bestrichen. Nach dem Brennen werden diese beiden Halbschalen mit einem Silikatzement zusammengeklebt und anschließend in einem oben bereits beschriebenen Wachsausschmelzverfahren mit einem geeigneten Metall, insbesondere Aluminium oder Grauguß, umgössen.
Bei den beiden Beispielen wurde ein Wachsausschmelzverfahren verwendet, um ein Arbeiten ohne Toleranzfestlegung zu ermöglichen. In einer Serienproduktion würde dagegen zweckmäßigerweise ein Sandguß- oder Maskenverfahren (z. B. Croning-Verfahren) zur Anwendung kommen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

  1. Patentansprüche:
    t. Wärmeisoüerte Anordnung zur DurchJeitung von unter hohen Temperaturen stehenden Gasen, mit einem aus einem Aluminium-Oxid enthaltenden, gesinterten keramischen Material bestehenden, wenigstens einen Strömungskanal aufweisenden Kern und einem direkt um den Kern gegossenen Metallmantel, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Kern (6) aus einem bei Temperaturen von 1200—15500C gesinterten Gemisch aus 30—60 VoL-%-Aluminiumoxid (AI2O3)-Pulver und 70—40VoL-% Tonerde-Süikat-Fasern besteht.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- i< zeichnet, daß dem Gemisch aus Aluminiumoxid-Pulver und Tonerde-Silikat-Fasern 5—20 Gew.-% Zirkonsilikat zugefügt ist
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemisch katalytisch wirksaiuoZusätze zugefügt sind.
  4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Kern auf seinen den Strömungskanal bildenden Innenflächen eine erosionsfeste Schicht aufweist.
  5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Kern auf seinen den Strömungskanal bildenden Innenflächen eine katalytisch wirksame Schicht aufweist
    30
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