DE3926919C2 - Abgaskanal mit isolierendem Leitungselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine mit einem elastische Glieder aufweisenden, isolierenden Leitungsele­ ment, das aus einem zum Abgaskanal gewandten Blechmantel, und einer anschließenden Isolierschicht aus Keramikfaser besteht.

Die gattungsbildende DE 37 20 714 C2 offenbart ein Wärmedämm­ system für heiße Gase führende, doppelwandige Leitungselemente von Brennkraftmaschinen, mit einer Innenwand aus einem hochwarmfesten Material sowie einer darauf angeordneten Schicht aus einem Wärmedämmaterial, auf die ein die Außenwand bildendes Gußbauteil gegossen ist und wobei die Innenwand Spannungs- und Dehnungsausgleichelemente aufweist.

Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß es im Betrieb der Brenn­ kraftmaschine an dem isolierenden Leitungselement aufgrund der thermischen Beanspruchung dennoch leicht zu Rissen und Beschädigungen kommen kann.

Die weiterhin bekannt gewordene EP 0 081 667 B1 betrifft eine kom­ pensatorfrei verlegte Fernwärmeleitung. Damit betrifft dieser techni­ sche Gegenstand ein gänzlich anderes Fachgebiet, bei dem es um die Verlegung von Rohrleitungen, die durchaus einen Durchmesser von 1 bis 2 Meter haben, geht. Im übrigen sind die Temperaturen der durch einen Abgaskanal und eine Fernwärmeleitung geleiteten Gase gänzlich unterschiedlich und liegen bei Fernwärmeleitungen im Be­ reich um 100°C, während in Abgaskanälen von Brennkraftmaschinen Temperaturen von deutlich über 600°C erreicht werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Abgaskanal für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei dem eine Überbeanspruchung und damit ein Ver­ sagen der isolierenden Einlage aufgrund thermischer Beanspruchung vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das iso­ lierende Leitungselement vor bzw. während des Eingießens derart erhitzt wird, daß im kalten Zustand nach dem Eingießen in dem Lei­ tungselement Zugspannungen vorherrschen. Durch diese erfindungs­ gemäße Maßnahme wird erreicht, daß im Motorbetrieb die Zugspan­ nungen mit steigender Temperatur aufgehoben bzw. zu Null werden. Bei herkömmlich im kalten Zustand eingegossenen bzw. umgossenen isolierenden Leitungselementen ergab sich beim Abkühlen des Guß­ stückes eine Schrumpfung von ungefähr 1 Prozent, d. h. es wurden in dem Leitungselement Druckspannungen aufgebaut. Auf diese Weise trat leicht eine Überbeanspruchung und damit ein Versagen des iso­ lierenden Leitungselementes auf. Dies wird durch die erfindungsge­ mäße Ausbildung vermieden, da nunmehr nach dem Auskühlen des Gußstückes Zugspannungen in dem isolierenden Leitungselement bestehen. Diese Zugspannungen verringern sich bei steigender Mo­ tortemperatur und wandeln sich erst bei maximaler Betriebstempera­ tur in Druckspannungen. Das heißt im Gegensatz zum Stand der Technik werden nicht einseitige bei maximaler Betriebstemperatur hohe Druckspannungen, sondern bei normaler Betriebstemperatur keine Spannungen und bei maximaler Betriebstemperatur nur geringe Druckspannungen des isolierenden Leitungselementes erreicht.

In einer vorteilhaften Ausführungsform, wenn der Abgaskanal in ein anderes Bauteil übergeht, sind die elastischen Glieder Dehnele­ mente, welche an den Enden des Blechmantels angeordnet sind. Hierdurch werden thermische Längenänderungen gerade an den kriti­ schen Enden des Blechmantels aufgefangen.

In vorteilhafter Weise weisen die Dehnelemente einen wulstförmigen, insbesondere halbkreisförmigen Querschnitt auf, wobei ein Ende am Blechmantel befestigt ist und ein Ende über ein Stützelement am Ab­ gaskanal abgestützt ist.

In einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die elastischen Glieder umlaufende Sicken im Blechmantel. Diese Sicken sind besonders leicht herzustellen und fangen Längenänderungen ohne Überbeanspruchung des Blechmantels auf. Der Abstand der Sicken liegt sinnvollerweise zwischen 5% bis 20% der Länge des Lei­ tungselementes.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht der Blech­ mantel aus Teilkörpern, wobei benachbare Teilkörper durch jeweils ein elastisches Glied verbunden sind. Damit Keramikfasern der Iso­ lierschicht nicht in den Abgaskanal und von dort z. B. in einen Abgasturbolader gelangen können, ist der Spalt zwischen den Teil­ körpern in vorteilhafter Weise vom elastischen Glied bündig abge­ deckt.

Erfindungsgemäß ist ferner bei der aus Teilkörpern bestehenden Ausführungsform des Blechmantels vorgesehen, daß sich benach­ barte Teilkörper an den Enden beweglich überlappen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist hierbei ein Ende zweier benachbarter Teilkörper U-förmig ausgebildet und umgreift das Ende des benachbarten Teilkörpers.

Erfindungsgemäß läßt das isolierende Leitungselement eine relative Dehnung zwischen 0,5% und 3% der Länge des Leitungselementes zu.

Es ist von Vorteil, das Leitungselement während des Eingießens elek­ trisch zu erhitzen. Es können jedoch auch andere Verfahren ange­ wendet werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen, die Ausführungsformen der Erfindung zeigen und im nachfolgenden näher beschrieben sind. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Abgaskanal mit an den Enden des Blechmantels angeordneten Dehnelementen,

Fig. 2 eine Variante des Abgaskanals mit umlaufenden Sicken im Blechmantel,

Fig. 3-5 Varianten mit einem aus Teilkörpern bestehenden Blech­ mantel,

Fig. 6 ein Diagramm der Zug- und Druckspannungen in dem Lei­ tungselement.

In der Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgas­ kanal 2 gezeigt. Der Abgaskanal 2 ist ein Auslaßkanal oder ein Ab­ gasrohr einer Brennkraftmaschine und im Zylinderkopf oder außer­ halb angeordnet. Der Abgaskanal ist ein Gußstück 1, in dem ein iso­ lierendes Leitungselement eingegossen ist. Dieses isolierende Lei­ tungselement besteht aus einem zum Abgaskanal 2 gewandten Blechmantel 3 und einer anschließenden Isolierschicht 4 aus einer Keramikfaser. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Abgas­ kanal 2 in ein anderes, nicht gezeigtes Bauteil übergeht. Zur Absiche­ rung gegen thermische Überbeanspruchung sind an den Ende des isolierenden Leitungselementes 3, 4 als Dehnelemente 5 ausgebildete elastische Glieder angeordnet. Diese Dehnelemente 5 weisen einen wulstförmigen, insbesondere halbkreisförmigen Querschnitt auf, wo­ bei ein Ende 5a am Blechmantel 3 befestigt ist und ein Ende 5b am Abgaskanal 2 abgestützt ist. Die Abstützung des Endes 5b erfolgt über ein Stützelement 9, welches rechtwinklig zum Blechmantel 3 in den Abgaskanal 2 eingegossen ist und mit dem Dehnelement 5 ver­ bunden ist. Das Dehnelement 5 kann z. B. durch Löten auf dem Blechmantel oder dem Stützelement befestigt sein. An seinem zum Blechmantel 3 gewandten Ende ist das Stützelement 9 rechtwinklig abgebogen und liegt parallel zum Blechmantel, welcher bis in den Be­ reich des abgebogenen Endes des Stützelementes 9 reicht. Durch diese Ausbildung ist ein Hohlraum 10 gebildet, der vom Dehnelement 5, Blechmantel 3 und abgebogenen Teil des Stützelementes begrenzt ist. Dieser Hohlraum 10 hat den Vorteil einer Temperaturvergleich­ mäßigung am Ende des isolierenden Leitungselementes.

Die Isolierschicht 4 ist im Bereich des Dehnelementes 5 ausgebeult und ragt in eine Einbuchtung 11 des Abgaskanals 2 hinein. Durch diese Maßnahme ist die Isolierschicht 4 vergrößert und bewirkt zu­ sammen mit dem Hohlraum 10 eine ausreichende Isolierung an der Stelle des Dehnelementes 5.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei welcher die elastischen Glieder aus umlaufenden Sicken 6 im Blechmantel 3 gebildet sind. Der Abstand der Sicken 6 liegt hier zwischen 5 bis 20% der axialen Länge des Leitungselementes. In der Fig. 2 ist keine Vergrößerung der Isolierschicht 4 an den Stellen der Sicken 6 ge­ zeigt. Sollte jedoch die Isolierung 4 an diesen Stellen unzureichend sein, so kann diese selbstverständlich vergrößert werden.

In den Fig. 3 bis 5 sind Ausführungsformen des erfindungsgemä­ ßen Abgaskanals mit einem aus Teilkörpern 3a, 3b bestehenden Blechmantel 3 gezeigt.

Die Fig. 3 zeigt eine solche Ausführungsform, bei welcher die bei­ den Teilkörper 3a, 3b des Blechmantels 3 durch ein elastisches Glied 7 verbunden sind. Das elastische Glied 7 weist ähnlich wie das Deh­ nelement 5 in Fig. 1 einen halbkreisförmigen Querschnitt auf und hat an seinen Enden ein kürzeres und ein längeres Endstück, welches parallel zum Blechmantel 7 angeordnet ist. Beide Endstücke sind an jeweils einem Ende eines Teilkörpers 3a, 3b befestigt, wobei der Spalt 8 zwischen den Teilkörpern 3a, 3b vom elastischen Glied 7, d. h. dem längeren Endstück, bündig abgedeckt ist. Hierdurch ist innerhalb des elastischen Gliedes 7 ein Hohlraum 10 angeordnet, der vom ela­ stischen Glied 7 und dem Blechmantel 3 begrenzt ist. Dieser Hohl­ raum 10 trägt, wie der Hohlraum in Fig. 1, zur thermischen Isolierung bei. Die Isolierschicht 4 weist über ihre gesamte Länge eine nahezu konstante Dicke auf und der Abgaskanal weist im Bereich des elasti­ schen Gliedes 7 eine Einbuchtung 11 auf, in welche die Isolierschicht 4 eingreift.

In der Ausführungsform gemäß der Fig. 4 besteht der Blechmantel 3 ebenfalls wie in Fig. 3 aus Teilkörpern 3a, 3b. Erfindungsgemäß überlappen sich hier benachbarte Teilkörper 3a, 3b beweglich. Hierzu ist ein Ende 3a der benachbarten Teilkörper U-förmig ausgebildet und umgreift das Ende des benachbarten Teilkörpers 3b. Diese U-förmige Ausbildung ist durch ein doppelt abgewinkeltes Blechteil 13 gebildet, welches auf dem Ende des Teilkörpers 3a befestigt ist. Zwischen Blechteil 13 und dem Ende des Teilkörpers 3a ist das Ende des Teil­ körpers 3a angeordnet. Um eine Abdichtung gegenüber dem Abgas­ kanal 2 zu erhalten, sind auf dem Blechteil 13 und dem Ende des Teilkörpers 3a gegenüberliegende Ausbuchtungen 14 angeordnet, welche auf dem Ende des Teilkörpers 3b aufliegen.

Zur weiteren Abdichtung ist noch das Ende des Blechteils 13 zum Ende des Teilkörpers 3a hin abgebogen und liegt auf diesem auf. Wie schon in der Fig. 3 beschrieben, ist auch hier die Isolierschicht 4 über die gesamte Länge nahezu konstant und greift an den Stellen des elastischen Gliedes in eine Ausnehmung des Abgaskanals ein.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform mit Teilkörpern 3a, 3b des Blechmantels 3, die sich beweglich überlappen. Hierzu ist ein Über­ gangsstück 15 auf dem Ende des Teilkörpers 3b befestigt, welches den Spalt 8 zwischen den Teilkörpern überragt und über eine Aus­ buchtung 14 auf dem Ende des Teilkörpers 3a aufliegt. In vorteilhafter Weise kann das Übergangsstück 15 in ein Ende eines Teilkörpers 3a, 3b integriert werden, so daß kein zusätzliches Bauteil benötigt wird. Die Dicke der Isolierschicht 4 ist ähnlich wie in den Fig. 3 und 4 beschrieben, ausgeführt.

Es sei hervorgehoben, daß zwischen der Isolierschicht und dem Gußmaterial des Abgaskanals kein Dämmkorpus angeordnet ist. Die Isolierschicht ist direkt in den Abgaskanal eingegossen. Ferner ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß die Isolierschicht über ihre gesamte Länge eine nahezu konstante Dicke aufweist und z. B. keine Einschnürungen oder dergl. aufweist.

In der Fig. 6 sind in einem Diagramm schematisch die Druckspannun­ gen und Zugspannungen in einem isolierenden Leitungselement im kalten Zustand und während des Betriebes der Brennkraftmaschine gezeigt.

Fig. 6a zeigt den Stand der Technik. Hier wird das isolierende Lei­ tungselement im kalten Zustand in den Abgaskanal eingegossen. Beim Abkühlen des Gußstückes ergibt sich eine Schrumpfung von ungefähr 1%, d. h. es werden in dem Leitungselement Druckspan­ nungen aufgebaut. Diese Druckspannungen 17 sind in der Fig. 6a schraffiert eingezeichnet und liegen schon außerhalb der zulässigen Beanspruchung, die durch den Pfeil 16 gekennzeichnet ist.

Die Betriebsbeanspruchung erhöht diese Druckspannung bei maxima­ ler Betriebstemperatur noch bis auf einen maximalen Wert 18. Dieser Wert liegt soweit außerhalb der zulässigen Beanspruchung, so daß leicht Risse und Beschädigungen in dem isolierenden Leitungsele­ ment auftreten können.

Fig. 6b zeigt die erfindungsgemäße Wirkungsweise. Hier wird das Leitungselement so eingegossen, daß Zugspannungen 19 vorherr­ schen. Im Motorbetrieb wird diese Zugspannung 19 mit steigender Temperatur zu Null. In vorteilhafter Weise wird bei maximaler Be­ triebstemperatur eine Druckspannung erzeugt, welche die gleiche Größenordnung wie die Zugspannung 19 am kalten Bauteil aufweist. Durch diese Maßnahme liegt die thermische Beanspruchung des iso­ lierenden Leitungselementes immer im Bereich der zulässigen Bean­ spruchung 16, so daß keine Beschädigungen durch Risse o. dgl. auf­ treten können.

Claims (12)

1. Abgaskanal einer Brennkraftmaschine mit einem elastische Glie­ der (7) aufweisenden, isolierenden Leitungselement, das aus einem zum Abgaskanal (2) gewandten Blechmantel (3), und einer an­ schließenden Isolierschicht (4) aus Keramikfaser besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Leitungselement vor bzw. während des Eingießens derart erhitzt wird, daß im kalten Zu­ stand nach dem Eingießen in dem Leitungselement Zugspannungen vorherrschen und daß die nach dem Eingießen vorherrschende Zugspannung so gewählt ist, daß sich bei maximaler Betriebstempe­ ratur des isolierenden Leitungselementes diese Zugspannung aufhebt und sich eine Druckspannung aufbaut, welche dieselbe Größenord­ nung wie die Zugspannung im kalten Zustand hat.

2. Abgaskanal nach Anspruch 1, wobei der Abgaskanal in ein ande­ res Bauteil übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Glieder (7) Dehnele­ mente (5) sind, welche an den Enden des Blechmantels (3) angeord­ net sind.

3. Abgaskanal nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnelemente (5) einen wulstför­ migen, insbesondere halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen, wobei ein Ende (5a) am Blechmantel (3) befestigt ist und ein Ende (5b) über ein Stützelement (9) am Abgaskanal (2) abgestützt ist.

4. Abgaskanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Glieder (7) umlaufende Sicken (6) am Blechmantel (3) sind.

5. Abgaskanal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Sicken (6) zwischen 5 bis 20% der Länge des Leitungselementes beträgt.

6. Abgaskanal nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Blechmantel (3) aus Teilkörpern (3a, 3b) besteht und jeweils ein elastisches Glied (7) benachbarte Teilkörper (3a, 3b) verbindet.

7. Abgaskanal nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (8) zwischen den Teilkörpern (3a, 3b) vom elastischen Glied (7) bündig abgedeckt ist.

8. Abgaskanal nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Blechmantel (3) aus Teilkörpern (3a, 3b) besteht und sich benachbarte Teilkörper (3a, 3b) an den En­ den beweglich überlappen.

9. Abgaskanal nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende (3a) zweier benachbarter Teilkörper (3a, 3b) U-förmig ausgebildet ist und das Ende des be­ nachbarten Teilkörpers (3b) umgreift.

10. Abgaskanal nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Leitungselement eine relative Dehnung zwischen 0,5 und 3% der Länge des Leitungsele­ mentes zuläßt.

11. Abgaskanal nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (4) über ihre gesamte Länge eine nahezu konstante Dicke aufweist und der Abgaskanal im Bereich der elastischen Glieder Einbuchtungen (11) aufweist, in wel­ che die Isolierschicht (4) eingreift.

12. Abgaskanal nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungselement während des Eingießens elektrisch erhitzt wird.