DE3706208C1 - Rohrfoermig ausgebildeter Keramikkoerper - Google Patents
Rohrfoermig ausgebildeter KeramikkoerperInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen rohrförmig ausgebildeten
Keramikkörper entsprechend dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Ein solches Bauteil in Form eines
hosenförmigen Rohres ist aus der DE-PS 33 46 394
bekannt. Dort wird zur Abstützung der beiden
Rohrabschnitte eine Verbindung vorgesehen, die den
auftretenden Drücken beim Eingießen des Keramikkörpers
in den Zylinderkopf einen ausreichenden Widerstand
entgegensetzen soll. Die Verbindung soll durch aus
mittels Plasmaspritzen aufgebrachtem Zirkonoxid
bestehen, während das Keramikrohr an sich aus Tialit
(Aluminiumtitanat) bestehen soll.
Nachteilig bei diesem bekannten Keramikrohr ist die
Ausbildung von Keramikrohr und Verbindung aus
verschiedenen Werkstoffen mit stark unterschiedlichem
thermischen Längenausdehnungskoeffizienten und
Elastizitätsmodul. Dadurch entstehen bei
Temperaturbeanspruchung - vor allem beim Eingießen
- aber auch während des Betriebes unterschiedliche
thermisch induzierte Spannungen bei den aus
verschiedenen Werkstoffen bestehenden Elementen des
bekannten Keramikkörpers. Es besteht daher die Gefahr
der Rißbildung im gesamten Keramikkörper, insbesondere
aber an den Kontaktflächen der beiden Werkstoffe. Als
weitere Nachteile sind Spannungspitzen in der Keramik
aber auch im Gußmaterial zu erwarten, die beim
Abkühlen der Schmelze in Verbindung mit dem stark
unterschiedlichen Deformationsverhalten der
verschiedenen Werkstoffe (Elastizitätsmodul) auftreten
können. Aber selbst die Verwendung eines einheitlichen
Werkstoffes würde bei einer einen zweiten
Erhitzungsschritt erfordernden nachträglichen
Anbringung der Verbindung am bereits fertig
gesinterten Rohrkörper nur zu einem begrenzten Erfolg
führen, weil dann infolge unterschiedlicher Schwindung
des bereits fertig gesinterten Rohres bzw. der noch zu
sinternden Verbindung mit dem Auftreten von Rissen
gerechnet werden muß. Ein weiterer Nachteil besteht
darin, daß zwischen Verbindung und eigentlichem
Rohrkörper nur eine geringe Verbundfestigkeit
resultiert. Bei einer durch Plasmaspritzen
angebrachten Verbindung entsteht ebenfalls - auch bei
Verwendung einer gleichen Rohstoffklasse - eine
unterschiedliche Gefügestruktur zwischen dem
üblicherweise durch Schlickerguß und anschließendes
Sintern herstellbaren Keramikkörper und der durch
Plasmaspritzen gebildeten Verbindung. Dabei entstehen
die vorstehend beschriebenen Nachteile. Es hat sich
auch gezeigt, daß insbesondere die Innenseiten der
Rohrabschnitte, also die Stellen, an denen mittels der
Verbindung eine Abstützung vorgenommen werden soll,
beim Eingießen des Keramikkörpers besonders gefährdet
sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
rohrförmig ausgebildeten Keramikkörper mit zwei
getrennt verlaufenden Rohrabschnitten, die in ein
einziges Rohrstück übergehen, zur Verfügung zu
stellen, der den beim Eingießen des Keramikrohres
auftretenden Druckkräften der Metallschmelze,
insbesondere zwischen den Rohrabschnitten, einen
erhöhten Widerstand entgegensetzt.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung
durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Unter dem in Patentansprüchen und Beschreibung verwendeten
Begriff "einstückig" soll dabei verstanden werden:
Der Keramikkörper - einschließlich der zwischen
den einzelnen Rohrabschnitten angeordneten Keramik
- weist ein einheitliches und homogenes Gefüge aus
einer einheitlichen Rohstoffzusammensetzung auf,
hat überall eine in etwa gleiche Dichte und
Porösität und ist durch Formen aus einer
Schlickergußmasse und in einem einzigen
Sinterprozeß hergestellt.
Die Vorteile der Erfindung bestehen u. a. darin, daß
infolge der einstückigen Ausbildung des Keramikkörpers
aus einem einheitlichen Werkstoff ein Rohrkörper
gebildet wird, der nur einen einzigen Sinterprozeß
erfordert. Die aus dem Stand der Technik bekannten
Nachteile einer geringen Verbundfestigkeit zwischen
den einzelnen Rohrabschnitten und der zwischen ihnen
bestehenden Verbindung werden dadurch ebenso vermieden
wie der bisher bestehende Nachteil einer zu geringen
Bauteilfestigkeit eines Keramikrohres mit
Rohrabschnitten, die überall konstante Wandstärken
aufweisen.
Der entscheidende Vorteil besteht aber darin, daß der
Keramikkörper infolge seiner einstückigen Ausbildung
überall ein gleiches Eigenschaftsspektrum aufweist,
d. h. an allen Stellen zum Beispiel einen nahezu
gleichen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten
und nahezu gleichen Elastizitätsmodul besitzt und
infolgedessen keine unterschiedlichen
Spannungszustände - weder im Keramikkörper selbst noch
im Metallguß, der den Keramikkörper umhüllt -
entstehen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform betrifft
die Ausbildung des Keramikrohres aus Aluminiumtitanat.
Obwohl dieser Werkstoff im Vergleich zu anderen
Werkstoffen aus Keramik, wie zum Beispiel
Zirkoniumoxid, über eine erheblich geringere
Festigkeit verfügt, ist er zur Ausbildung rohrartiger
Keramikkörper in Abgasleitungen bereits vorgeschlagen
worden, weil er über einen geringen thermischen
Längenausdehnungskoeffizienten und über eine
hervorragende thermische Isolierfähigkeit verfügt. In
der Vergangenheit traten aber immer wieder
Schwierigkeiten auf, weil insbesondere beim Umguß mit
Metallen und hier insbesondere beim Umgießen mit
Eisenmetallen eine Beschädigung des Keramikrohres
eintrat.
Wenn im einzelnen die Form und Maße des Keramikrohres
auch von der Konstruktion des Zylinderkopfes
maßgeblich bestimmt werden, hat sich jedoch gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine
Wandstärke der gemeinsamen Wandung als geeignet
erwiesen, die bei 0,8 bis 6 cm, vorzugsweise bei 1 bis
2 cm, liegt - gemessen auf einer gedachten Linie
zwischen den beiden Mittelpunkten der
Eingangsöffnungen der Rohrabschnitte.
Durch die infolge der einstückigen Ausbildung
einheitliche Struktur der zwischen den beiden
Rohrabschnitten liegenden gemeinsamen Wandung kann
diese in einer hervorragenden Weise eine Stützfunktion
beim Einwirken seitlicher Druckkräfte auf die
Außenwände der Rohrabschnitte übernehmen. Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
liegt zwischen der Stärke der Außenwände und der
Stärke der gemeinsamen Wandung - zwischen den beiden
Rohrabschnitten - ein Verhältnis von 1 : 2,5 bis 1 : 5
vor.
Vorzugsweise ist die im Bereich der Eingangsöffnungen
der beiden Rohrabschnitte liegende ventilseitige
Abschlußfläche oval, weil dadurch das Auftreten von
Spannungspitzen im Metall und in der Keramik infolge
der homogenen Übergänge von dicken zu dünnen Stellen
vermieden wird. Es entstehen auch keine
Materialanhäufungen im Guß, so daß beim Abkühlen keine
lokal unterschiedlich abkühlenden Zonen entstehen.
Falls die Konstruktion des Zylinderkopfes es
erfordert, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung eine Ausbildung der ventilseitigen
Abschlußfläche mit einem Querschnitt in Form einer
Acht erfolgen. Bevorzugt ist es dabei, wenn die
Stegstärke - gemessen senkrecht zu einer gedachten
Linie, die durch die Mittelpunkte der
Eintrittsöffnungen der beiden Rohrabschnitte verläuft
- an ihrer schmalsten Stelle ca. dem halben
Innendurchmesser der Eintrittsöffnungen
der beiden Rohrabschnitt entspricht.
In jedem Fall sollen die Außenkonturen der einzelnen
Abschnitte des Keramikrohres harmonisch
ineinanderübergehen.
Bohrungen zum Einsatz von Ventilführungen können
bereits bei der Herstellung des erfindungsgemäßen
Keramikkörpers vorgesehen sein, alternativ ist aber
auch die Anbringung solcher Bohrungen noch
nachträglich am bereits eingegossenen Keramikkörper
möglich.
Erfindungsgemäß kann der rohrförmig ausgebildete
Keramikkörper als sogenanntes Hosenrohr ausgebildet
sein, so daß die gemeinsame Wandung der beiden
Rohrabschnitte eine in Richtung auf den
Übergangsbereich der Rohrabschnitte in das Rohrstück
abnehmende Wandstärke aufweist. Es ist aber auch eine
Ausführungsform möglich, bei der die Rohrabschnitte
weitestgehend parallel verlaufen und die gemeinsame
Wandung eine nahezu konstante Wandstärke hat. Die
zuletzt beschriebene Form findet Einsatz, wenn die
Auslaßventile bei einem Zylinder nebeneinander
angeordnet sind. Die zuerst genannte Form wird
verwendet, wenn die Auslaßventile hintereinander
angeordnet sind, jeweils gesehen in Richtung des
Motorblocks. Es zeigt
Fig. 1 einen hosenförmig ausgebildeten Keramikkörper
von der Seite gesehen,
Fig. 2 eine Frontansicht in Richtung des Pfeiles II
auf Fig. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht in Richtung des Pfeiles III
auf Fig. 1,
Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig.
2, zum einen zeigend eine Eingangsöffnung
samt dazugehöriger Bohrung für eine
Ventilführung sowie die Austrittsöffnung,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch die Gesamtheit der
Rohrstücke, in welche die Abgasströme
eintreten, samt dem die Austrittsöffnung
aufweisenden Rohrstück entsprechend der Linie
V-V in Fig. 4, also zeigend das gesamte
Keramikrohr, aufgeschnitten,
Fig. 6 eine Unteransicht in Richtung VI unter Fig.
1 bzw. unter Fig. 4,
Fig. 7 einen ebenen Vertikalschnitt gemäß Ebene
VII-VII der Fig. 8, zeigend zwei Einschnitte
je einen ober- und unterhalb der gemeinsamen
Wandung zwischen beiden Rohrstücken einer
weiteren Ausführungsform,
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung dieser
weiteren Ausführungsform des Keramikrohres
nach Fig. 7 schräg von unten und einer Seite
gesehen,
Fig. 9 einen Keramikkörper mit parallel verlaufenden
Rohrabschnitten im Längsschnitt,
Fig. 10 eine Untersicht in Richtung des Pfeiles X
unter Fig. 9 und
Fig. 11 einen Längsschnitt durch die Gesamtheit der
Rohrstücke bei einer weiteren Ausführungsform
des Keramikkörpers.
Das in den Fig. 1 bis 6 gezeigte Keramikrohr (1)
besteht aus den beiden Rohrabschnitten (2, 3) sowie dem
Rohrstück (4). Die Rohrabschnitte (2, 3) bilden die
Form einer Hose und vereinigen sich im
Übergangsbereich (9) zum Rohrstück (4). In der Flucht
zu den beiden Rohrabschnitten (2, 3) sind Bohrungen
(7, 8) zum Einsatz von Ventilführungen vorgesehen.
Die Rohrabschnitte (2, 3) verlaufen in einem durch die
Form des Zylinderkopfes bestimmten Winkel β
gekrümmt (Fig. 4).
Die Rohrabschnitte (2, 3) besitzen gleich starke
Außenwände (5) mit der Stärke S 1. Auch Rohrstück (4)
ist mit der gleichen Wandstärke S 1 ausgebildet.
Zwischen den beiden Rohrabschnitten (2, 3) ist eine
gemeinsame Wandung (6) angeordnet, welche im Bereich
der Eingangsöffnungen (10, 10 a) der Rohrabschnitte
(2, 3) die Wandstärke S 2 im Maximum aufweist. Die durch
das Gießen auftretenden Druckkräfte sind in Fig. 6
durch den Pfeil P bezeichnet.
Der die Eingangsöffnungen (10, 10 a) umfassende Bereich
bildet die ventilseitige Abschlußfläche F und ist in
einer im Querschnitt ovalen Form ausgebildet (Fig. 6).
Bei dem in Fig. 7 und 8 gezeigten Keramikkörper, der
im übrigen dem in Fig. 1 bis 6 gezeigten
Ausführungsbeispiel entspricht, sind zwischen den
Eintrittsöffnungen (10, 10 a) der Rohrstücke (2, 3)
Einschnitte E 1, E 2 angebracht, so daß die Außenwände
(5) der Rohrabschnitte (2, 3) zu einer Acht
eingeschnitten werden und auch die ventilseitige
Abschlußfläche F′ die Form einer Acht aufweist.
Der Übergang der Außenwände (5) der Rohrstücke (2, 3)
in die gemeinsame Wandung (6) erfolgt an deren
Außenkonturen in dem mit W bezeichneten Wendepunkt
(Wendepunkt der Konturenverläufe).
Die Stegstärke S 3 entspricht ca. dem halben Wert des
Innendurchmessers der Eintrittsöffnungen (10, 10 a).
Der in den Fig. 9 und 10 gezeigte rohrförmige
Keramikkörper (1′) hat parallel verlaufende
Rohrabschnitte (2′, 3′), die im Übergangsbereich (9′)
in das Rohrstück (4′) münden. Die Rohrabschnitte
(2′, 3′) werden durch eine gemeinsame Wandung (6′) mit
der Wandstärke S 2′ verbunden, wobei die Wandung (6′)
vom Bereich der Eingangsöffnungen (10′, 10 a′) bis zum
Übergangsbereich (9′) in konstanter Wandstärke
ausgebildet ist. Die Außenwände (5′) der
Rohrabschnitte (2′, 3′) und des Rohrstückes (4′) haben
eine konstante Wandstärke S 1′. Die ventilseitige
Abschlußfläche F′′ ist bei dieser Ausführungsform
nierenförmig.
Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform eines
Keramikkörpers (1). Im wesentlichen entspricht die
Ausführungsform dem zu den Fig. 1 bis 7
beschriebenem Beispiel. Unterschiedlich ist jedoch,
daß die gemeinsame Wandung (6) im Bereich der
Eingangsöffnungen (10, 10 a) nicht durchgängig
ausgebildet ist. In diesem Bereich haben die
Rohrabschnitte (2, 3) vielmehr innenliegende Wände
(5′′), die mit einer Dicke S 1′′ entsprechend der
Wandstärke S 1 der Außenwände (5) ausgebildet sind. Die
beiden Rohrabschnitte (2, 3) haben bei dieser
Ausführungsform im Bereich der Eingangsöffnungen
(10, 10 a) keine gemeinsame Wandung, sondern sind hier
mit einer Wandstärke S 1′′ entsprechend der Wandstärke
S 1 der Außenwand (5) ausgebildet. In Richtung auf den
Mündungsbereich (9) gehen die Innenwände (5′′) dann in
die gemeinsame Wandung (6) zunächst mit zunehmender
und dann in Richtung auf den Übergangsbereich (9)
abnehmender Wandstärke über.
Claims (8)
1. Rohrförmig ausgebildeter Keramikkörper für
gasführende Kanäle im Zylinderkopf eines
Verbrennungsmotors mit:
- a) zwei getrennt verlaufenden, endseitig Öffnungen aufweisenden Rohrabschnitten, die in ein einziges, eine Öffnung aufweisendes Rohrstück übergehen,
- b) einer zwischen den beiden Rohrabschnitten zumindest im Übergangsbereich der beiden Rohrabschnitte in das Rohrstück ausgebildeten Verbindung,
gekennzeichnet dadurch, daß:
- 1. der Keramikkörper (1, 1′) einstückig ausgebildet und durch Formen in einem einzigen Sinterprozeß aus einem einheitlichen Werkstoff hergestellt ist,
- 2. die Verbindung der Rohrabschnitte (2, 2′, 3, 3′) durch eine gemeinsame Wandung (6, 6′) gebildet wird.
2. Rohrförmig ausgebildeter Keramikkörper nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Werkstoff des Keramikkörpers (1, 1′)
Aluminiumtitanat ist.
3. Rohrförmig ausgebildeter Keramikkörper nach einem
der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Keramikkörper (1, 1′) im Bereich der
Eingangsöffnungen (10, 10′, 10 a, 10 a′) der
Rohrabschnitte (2, 2′, 3, 3′) eine eben ausgebildete
ventilseitige Abschlußfläche (F, F′, F′′) aufweist
(Fig. 2, 6, 8, 9, 19).
4. Rohrförmig ausgebildeter Keramikkörper nach einem
der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die ventilseitige Abschlußfläche (F, F′) mit einem
ovalförmigen Querschnitt ausgebildet ist (Fig. 6).
5. Rohrförmig ausgebildeter Keramikkörper nach einem
der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die ventilseitige Abschlußfläche (F, F′) einen
Querschnitt in Form einer Acht aufweist.
6. Rohrförmig ausgebildeter Keramikkörper nach einem
der Ansprüche 1 bis 3 und 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die gemeinsame Wandung (6) in
Richtung auf den Übergangsbereich (9) eine
abnehmende Wandstärke aufweist (Fig. 5).
7. Rohrförmig ausgebildeter Keramikkörper nach einem
der Ansprüche 1 bis 3 und 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die gemeinsame Wandung (6′) in
Richtung auf den Übergangsbereich (9′) eine
gleichbleibende Wandstärke aufweist.
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