DE3642714A1

DE3642714A1 - Abgasleitung fuer verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE3642714A1
Application number: DE19863642714
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr Winzen; Manfred Dipl Ing Wuenschmann
Original assignee: Witzenmann GmbH
Current assignee: Witzenmann GmbH
Priority date: 1986-12-13
Filing date: 1986-12-13
Publication date: 1988-06-16

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasleitung für Ver brennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen, bestehend aus einer Innenleitung, einer Außenleitung und einer dazwischen angeordneten Isolierung.

Derartige Abgasleitungen sind in zahlreichen Aus führungsformen bekannt. Dabei geht es grundsätzlich um eine möglichst gute Isolierung der bis zu etwa 1000°C heißen Abgase gegenüber dem Motorraum bei gleichzeitig geringem Herstellungsaufwand.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasleitung zu entwickeln, die sich außerdem durch geringe Wärmekapazität, zumindest durch ein verlangsamtes Wärmeaufnahme-Vermögen auszeichnet und gegenüber bekannten Rohren gleicher Isolierwirkung mit geringerer Schichtdicke für die Isolierung aus kommt.

Des weiteren soll die Isolierung auch für mehr oder weniger gekrümmte Auspuffleitungen geeignet sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombi nation folgender Merkmale gelöst:

a) Die Innenleitung ist als tragende Leitung ausge bildet und besteht aus einem im wesentlichen glatten, zylindrischen, ggf. gebogenen Rohr;
b) die Isolierung besteht aus nicht-metallisch an organischen Werkstoffen als Matten, Formteile, Vlies, Schläuche, Gestricke, insbesondere aus Keramikfaser- und/oder Glasfaser-Formteilen (2) etwa aus Alumi niumoxid, Silikat oder Mischungen hiervon;
c) die Außenleitung besteht aus zumindest einem flexiblen Rohr mit umlaufenden, radial nach innen gezogenen Sicken, über die es an der Isolierung an liegt.

Durch die besondere Profilierung der Außenleitung liegt sie nur längs sehr kleiner Berührflächen, nämlich nur am innersten Bereich der Sicken an der Isolierung an, wohingegen sie mit ihren weit über wiegenden Wandbereichen ringähnlich umlaufende Luft kammern bildet. Auf diese Weise erzeugen die Sicken in der Außenleitung nicht nur die gewünschte Flexi bilität, sondern erhöhen gleichzeitig auch aufgrund der gebildeten Luftkammern die Isolierwirkung.

Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt der Erfin dung besteht darin, daß die Sicken der Außenleitung nicht direkt an der Innenleitung anliegen, sondern daß hier eine oder mehrere Isolierschichten zwischen gelegt sind. Dies hat zur Folge, daß der Wärmeüber gang von der Innen- auf die Außenleitung drastisch reduziert wird. Gleichzeitig ergibt sich der Vorteil, daß die Innenleitung beim Warmfahren des Motors schnell ihre Betriebstemperatur erreicht. Die Abgasentgiftung in der Kaltstartphase wird dadurch wesentlich ver bessert.

Für die Isolierwirkung der Außenleitung hat ihre Profilierung entscheidenden Einfluß, denn jede Sicke stellt eine Verbindung von innen nach außen dar, fungiert also als Wärmebrücke. Überraschenderweise führt jedoch eine Minimierung dieser Wärmebrücken nicht zu einem Maximum an Isolationswirkung. Viel mehr hat es sich als günstigste Lösung erwiesen, wenn der Abstand benachbarter Sicken etwa zwischen der zweifachen und der fünffachen axialen Sicken breite liegt. Man erhält dadurch Luftkammern zwi schen benachbarten Sicken, die nicht besonders breit sind und bei denen daher keine starken Eigenkonvek tionsströmungen auftreten können.

Aus demselben Grund empfiehlt es sich auch, die Sickentiefe nicht beliebig zu steigern, sondern le diglich zwischen ein Viertel und drei Viertel des Abstandes benachbarter Sicken zu wählen.

Um Eigenkonvektionsströmungen innerhalb der durch die Sicken gebildeten Lufträume weitgehend zu ver hindern, hat es sich als besonders zweckmäßig er wiesen, die Sicken nicht schraubengangförmig umlau fen zu lassen, sondern eine Vielzahl paralleler, ringförmig umlaufender Sicken vorzusehen, so daß eine Vielzahl voneinander abgetrennter, ringförmiger Luftkammern entsteht.

Eine weitere Steigerung der Isolationswirkung der Außenleitung ist dadurch möglich, daß man sie mit zumindest einem weiteren flexiblen Rohr versieht, das ebenfalls mit umlaufenden, radial nach innen ge zogenen Sicken versehen ist, das jedoch gegenüber dem inneren Rohr axial etwas versetzt ist, so daß die Sicken nicht ineinander zu liegen kommen. Diese beiden und ggf. noch weitere darüber geschobene Rohre werden endständig luftdicht miteinander verbunden und ihr Zwischenraum bzw. ihre Zwischenräume eva kuiert. Man erhält dadurch eine Verbesserung der Isolierwirkung um etwa 15% je zusätzlicher Rohrlage.

Als Isolierung zwischen Innen- und Außenleitung wurden zweckmäßig Keramikfasermatten mit einem darüber ge schobenen Glasfaserschlauch verwendet. Der Glasfaser schlauch stellt sicher, daß die beim Fahrbetrieb auf tretenden Rüttelbewegungen der Abgasleitung nicht allmählich zu einer Zerstörung der Keramikfasermatte und somit zu einem Ausfüllen der Luftkammern in der Außenleitung führen. Zugleich erleichtert der Schlauch, der ggf. auch aus anderen Werkstoffen hergestellt sein kann, das Überschieben der Außenleitung und die homogene Verteilung der Isolierschicht.

Des weiteren hat es sich als günstig erwiesen, die Isolierung mit einer oder mehreren Lagen aus Metall folie zu kombinieren. Dadurch wird die vom Abgas kommende Wärmestrahlung reflektiert.

Die Isolierung kann dabei aus mehreren abwechselnden Lagen aus Metallfolie und Glasfaserschlauch und ggf. Keramikfaser-Formteilen bestehen.

Durch die beschriebene Profilierung der Außenlei tung paßt sie sich problemlos einem gekrümmten Rohr verlauf an, braucht also nicht von vornherein bei der Fertigung an dessen Verlauf angepaßt zu sein.

Ist die Abgasleitung besonders hohen Dehnungen unter worfen, so empfiehlt sich die in Anspruch 9 beschrie bene Ausbildung. Dabei geht die Außenleitung in ein harmonisch gewelltes Profil über und ergibt im Bereich des Schiebesitzes eine hohe axiale Nach giebigkeit. Der Balg läßt sich dabei unmittelbar in die Außenleitung integrieren.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen anhand der Zeichnung; dabei zeigt

Fig. 1 einen Teil-Längsschnitt durch eine Abgas leitung;

Fig. 2 und 3 Alternativen für die Isolierung;

Fig. 4 ein Detail der Außenleitung und

Fig. 5 einen Teil-Längsschnitt einer Abgaslei tung mit zweilagiger Außenleitung.

Wie Fig. 1 zeigt, besteht die Abgasleitung aus einem tragenden, glatten Rohr 1, das vollständig von einer oder mehreren Isolierschichten 2 aus Keramik fasern und/oder Glasfasern bedeckt ist. Die Isolier schichten sind ihrerseits von einem vergleichsweise dünnwandigen Rohr 3 umgeben, das durch zahlreiche umlaufende, radial nach innen ragende Sicken 3 a flexi bel ist und über diese Sicken lokal an der Außenseite der Isolierschicht 2 anliegt.

Wie Fig. 2 zeigt, kann die Isolierschicht 2 aus einer inneren Keramikfasermatte 2 a, die auch aus Formtei len, etwa Halbschalen, zusammengesetzt sein kann und einem übergeschobenen Glasfaserschlauch 2 b bestehen. Der Glasfaserschlauch 2 b fungiert dabei einerseits als Montagehilfe, andererseits als Schutz für die Keramikfasermatte gegenüber den lokal anliegenden Sicken 3 a.

Gemäß Fig. 3 ist die Isolierung aus mehreren abwech selnd übereinandergeschichteten Glasfaserschläuchen 2 b und Metallfolien 2 c aufgebaut.

Die jeweilige Ausbildung der Isolierschicht richtet sich nach den Einbauerfordernissen, insbesondere dem zulässigen Außendurchmesser der Abgasleitung. Während die einlagige Isolierschicht gemäß Fig. 1 eine Dicke von 1 bis 2 mm aufweist, beträgt die der zweilagigen und mehrlagigen Isolierung gemäß den Fig. 2 und 3 2 bis 7 mm, je nach Lagenzahl und Schichtdicke.

Fig. 4 verdeutlicht die Profilgeometrie des Außen rohres 3. Seine nach innen ragenden Sicken 3 a sind durch in Umfangsrichtung laufende, parallel zueinander angeordnete Wellen mit etwa U-förmigem Querschnitt gebildet. Durch die relativ dichte Anlage der Wellen berge an der Isolierschicht entsteht eine Vielzahl voneinander getrennter, ringförmiger Luftkammern 4. Um diese Luftkammern hinsichtlich ihres Isolationsver mögens zu optimieren, beträgt der axiale Abstand l _kra zwischen benachbarten Sicken mindestens das Doppelte und höchstens das Fünffache der axialen Sickenbreite l _kri und die Sickentiefe s mindestens ein Viertel, höchstens drei Viertel, zweckmäßig ein Drittel bis zwei Drittel des Abstandes l _kra benachbarter Sicken.

Durch den beschriebenen Isolationsverbund zwischen der Isolierschicht 2 und dem profilierten Rohr 3 ergibt sich nicht nur eine außerordentlich hohe Isolations wirkung: Die Temperatur des Innenrohres 1 von an nähernd 1000°C wird bei einer Isolierschichtdicke von nur 2,5 mm auf etwa 250°C an dem Außenrohr 3 reduziert. Sondern vor allem - dies ist ein wesentliches Kriterium der Erfindung - stellt die Zwischenisolie rung 2 sicher, daß das Innenrohr 1 nach einem Kaltstart schnellstens die zur katalytischen Nachverbrennung der Abgase notwendige Temperatur erreicht, denn die Zwischenisolierung 2 mit den ebenfalls als Isolierung wirkenden Luftkammern 4 beschränkt zunächst den Auf heizbereich auf das Innenrohr 1. Mit anderen Worten: Der Temperaturanstieg in dem Außenrohr 3 und die damit einhergehende Wärmeabstrahlung nach außen wird vom Temperaturverlauf des Innenrohres 1 abgekoppelt und so stark verzögert, daß beim Anfahrvorgang nur die Wärmekapazität des Innenrohres 1 aufgeheizt zu werden braucht.

Fig. 5 zeigt eine Abgasleitung, die im Prinzip wie in Fig. 1, jedoch mit einer zweimaligen Außenleitung aufgebaut ist. Das zusätzliche Außenrohr 5 weist zweckmäßig die gleiche Form wie das darunter befind liche Rohr 3 auf, ist ihm gegenüber aber axial ver setzt, so daß seine Sicken 5 a auf den zylindrischen Wandbereichen des Rohres 3 zu liegen kommen und zwi schen beiden Rohren eine Vielzahl axial aufeinanderfol gender, ringförmiger Luftkammern 6 entsteht.

An den Enden sind die beiden Rohre 3 und 5 miteinander verschweißt, wobei die Lufträume 6 vor dem endgül tigen Zuschweißen evakuiert werden. Damit läßt sich die Isolationswirkung nochmals um etwa 15% steigern.

Der endständige Anschluß der beiden Rohre 3 und 5 an das Innenrohr 1 kann ebenso wie bei der einlagigen Ausführung des Außenrohres über jeweils einen Kragen 7 erfolgen. Er ist mit den genannten Teilen verschweißt oder auf andere Weise verbunden. Die Wandstärke der Rohre 3 oder 5 kann aufgrund der Versteifungs wirkung der Sicken auf 0,08 bis 0,15 mm reduziert werden. Die erfindungsgemäße Abgasleitung zeichnet sich daher auch durch geringen Materialeinsatz und entsprechend geringes Gewicht aus.

Claims

1. Abgasleitung für Verbrennungsmotoren, insbeson dere von Kraftfahrzeugen, bestehend aus einer Innen leitung, einer Außenleitung und einer dazwischen angeordneten Isolierung, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale,

a) die Innenleitung ist als tragende Leitung ausge bildet und besteht aus einem im wesentlichen glat ten, zylindrischen, ggf. gebogenen Rohr (1);
b) die Isolierung besteht aus nicht-metallisch an organischen Werkstoffen als Matten, Formteile, Vlies, Schläuche, Gestricke, insbesondere aus Keramikfaser- und/oder Glasfaser-Formteilen (2) etwa aus Alumi niumoxid, Silikat oder Mischungen hiervon;
c) die Außenleitung besteht aus zumindest einem flexiblen Rohr (3, 5) mit umlaufenden, radial nach innen gezogenen Sicken (3 a, 5 a), über die es an der Isolierung (2) anliegt.

2. Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Abstand (l _kra) benachbarter Sicken (3 a, 5 a) mindestens das 1,5fache, insbesondere Zweifache und höchstens das Fünffache der axialen Sicken breite (l _kri) beträgt.

3. Abgasleitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sickentiefe (s) mindestens ein Viertel, insbesondere ein Drittel und höchstens drei Viertel, insbesondere zwei Drittel des Abstan des (l _kra) benachbarter Sicken (3 a, 5 a) beträgt.

4. Abgasleitung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicken (3 a, 5 a) ringförmig umlaufen und parallel zueinander an geordnet sind.

5. Abgasleitung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenlei tung aus zwei übereinandergeschobenen, axial ver setzten, flexiblen Rohren (3, 5) mit umlaufenden, radial nach innen gezogenen Sicken (3 a, 5 a) besteht, daß die beiden Rohre (3, 5) endständig luftdicht mit einander verbunden sind und ihr Zwischenraum (6) evakuiert ist.

6. Abgasleitung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolie rung (2) aus Keramikfasernmatten (2 a) und einem darüber geschobenen Glasfaserschlauch (2 b) besteht.

7. Abgasleitung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolie rung (2) mit einer oder mehreren Lagen aus Metall folie (2 c) kombiniert ist.

8. Abgasleitung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Isolierung (2) aus mehreren ab wechselnden Lagen aus Glasfaserschlauch (2 b) und Metallfolie (2 c) besteht.

9. Abgasleitung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenlei tung einen Schiebesitz aufweist und die Außenlei tung im Bereich dieses Schiebesitzes einstückig in ein Balgprofil übergeht.