DE4038979A1 - Doppelrohr, insbesondere fuer katalysatorbestueckte abgasanlagen von brennkraftmaschinen und verfahren zur herstellung eines solchen doppelrohres - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Herstel­ lung eines Doppelrohres entsprechend dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1. Dieses Verfahren ist durch die DE-PS 33 27 353 (s. dort Fig. 1) bekanntgeworden.

Doppelrohre mit einem in einem Ringraum zwischen einem starren metallischen Innenrohr und einem metallischen Außen­ rohr angeordneten, verdichteten Isolationsmantel aus tempera­ turbeständigem Werkstoff werden vornehmlich für katalysator­ bestückte Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen verwandt. Der Isolationsmantel dient der Schalldämmung und erhöht zudem die Betriebstemperatur des Katalysators bei Kaltstart- und Schwachlastbetrieb der Brennkraftmaschine.

Bei dem aus der DE-PS 33 27 353 (s. dort Fig. 1 in Ver­ bindung mit Sp. 4 Z. 11-49) ersichtlichen Verfahren ist ein flexibles Außenrohr, z. B. ein metallener Wellschlauch, mit einem hohlzylindrischen Isolierstoff-Innenmantel ausgekleidet, welcher ein axial zugfestes Geflecht aus Mineralfasern, Ton­ erdesilikatfasern od. dgl., aufweisen kann.

Um das abgasführende Innenrohr verschiebungs- und klapper­ sicher innerhalb des Isolationsmantels zu halten, unternimmt das bekannte Verfahren folgendes: Das starre Innenrohr, welches in der Regel einen gekrümmten Axialverlauf aufweist, trägt an seinem Einführungsende einen Dorn, welcher - wie das gesamte Innenrohr - Übermaß gegenüber dem Innendurchmesser des Isolationsmantels aufweist.

Der außenmantelseitig das flexible Außenrohr tragende Isolationsmantel wird nun über den Dorn hinweg auf das Innen­ rohr geschoben. Hierbei wird der hohlzylindrische Isolations­ mantel von innen nach außen so verdichtet, daß die beiden Rohre hinreichend raumfest aneinander gehalten sind.

Voraussetzung für das durch die DE-PS 33 27 353 bekannte Verfahren ist ein flexibles Außenrohr, welches sich relativ leicht an den axialen Krümmungsverlauf des Innenrohres an­ passen soll.

In der DE-PS 37 12 193 ist ein Verfahren beschrieben, gemäß welchem ein Innenrohr und ein Außenrohr zwischen sich einen Ringraum bilden, der mit Keramikpulver aufgefüllt wird, das als Isolationsmaterial dient. Hierbei ist das Außenrohr mit seinen beiden eingezogenen Enden mit dem Innenrohr gas­ dicht verbunden. Das Keramikpulver wird über eine nachträglich wieder zu schließende Öffnung in den Ringraum eingebracht. An­ schließend kann das Doppelrohr gebogen werden.

Das von der DE-PS 37 12 193 bekannte Verfahren wird als zu aufwendig empfunden. Außerdem wird die Keramikfüllung nicht verdichtet, was sich ggf. beim Biegevorgang als nachtei­ lig erweisen könnte (z. B. bei versehentlich zu geringer Füllung).

Der DE-PS 25 52 647 schließlich ist ein Verfahren zu entnehmen, gemäß welchem ein das Innenrohr mit allseitigem Abstand umgebendes Außenrohr aus zwei miteinander verschraub­ baren Schalen besteht. Diese pressen die im Ringraum befind­ liche wärmeisolierende Schicht elastisch zusammen. Auch dieses bekannte Verfahren ist mit einem großen Herstellungsaufwand verbunden.

Ausgehend von dem eingangs geschilderten bekannten Ver­ fahren (DE-PS 33 27 353), liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, welches ein aufwendiges flexibles Außenrohr entbehrlich macht und die Herstellung eines mechanisch widerstandsfähigeren aber zugleich biege­ fähigen Doppelrohres gestattet.

Entsprechend der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Isolationsmantel auf dem Innenrohr, welches starr und geradlinig ist, angebracht wird, worauf das vom Isolationsmantel umgebende Innenrohr etwa mit Schiebesitzpas­ sung in das starre, glatte, geradlinige Außenrohr hineinge­ schoben und sodann das Innenrohr unter plastischer Verformung aufgeweitet wird, wobei der Isolationsmantel zugleich zwischen der Außenmantelfläche des Innenrohres und der Innenmantel­ fläche des Außenrohres radial eingepreßt und verdichtet wird.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Isolationsmantel bei der Aufweitung des Innenrohres, was durch plastische Verformung geschieht, faltenfrei gegen die Innenmantelfläche des Außenrohres gepreßt und hierbei verdich­ tet. Der Verdichtungsgrad ist so groß, daß das erfindungs­ gemäß hergestellte Doppelrohr einen kleinsten Biegeradius gestattet, welcher dem 1,5-fachen des Doppelrohr-Außendurch­ messers entspricht.

Bei einer solchen starken Biegung stellt sich zwar an der Hohlseite der Biegestrecke eine gewisse Materialverdichtung des Isolationsmantels ein, während dieser im konvexen Bereich der Biegestrecke eine gewisse Dehnung erfährt, die aber un­ wesentlich ist. Jedenfalls wird die Wärmeisolierung im Ring­ raum zwischen Innenrohr und Außenrohr auch bei einer solchen starken Biegung voll aufrechterhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet bevorzugt einen in der DE-OS 36 40 653 beschriebenen Isolationsmantel, welcher zwischen zwei Aluminiumfolien einen etwa vliesartigen Form­ körper aus Wärmedämmmaterial einschließt. Der Isolationsmantel wird derart auf dem Innenrohr befestigt, daß er dieses fest umringt. Der Isolationsmantel wird sodann bei Aufweitung des Innenrohres entlang seines Umfangs gedehnt und außerdem ver­ dichtet, wodurch jegliche Faltenbildung des Isolationsmantels vermieden wird.

Im Gesamtzusammenhang ist es wichtig, daß das starre glatte Außenrohr ein Fertigrohr darstellt, welches während der eigentlichen Herstellung des Doppelrohres, insbesondere während der Verdichtung des Isolationsmantels, nicht verformt wird. In jedem Falle würde in diesem Zusammenhang eine Ver­ formung des Außenrohres mittels Durchmesserreduzierung aus­ scheiden, weil sich hierdurch nur eine nachteilige Auffaltung des Isolationsmantels - nicht aber dessen erwünschte gleich­ mäßige tragende Verdichtung - ergeben würde.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet sowohl eine Radialaufweitung des Innenrohres als auch dessen Axialaufwei­ tung.

Bei einer Axialaufweitung muß das Innenrohr eine gewisse axiale Überlänge, d. h. einen beidendigen Überstand aufweisen, wenn beide Rohre nach der Aufweitung des Innenrohres endbündig sein sollen. Bei der Axialaufweitung wird ein Dorn durch das Innenrohr hindurchgezogen, oder aber es werden zwei Dorne axial gegeneinander bewegt. Hierbei wird das für die Auf­ weitung des Innenrohres erforderliche Material aus der Rohr­ länge bezogen. Die Wandstärke des Innenrohres bleibt im wesent­ lichen unverändert.

Bei der Radialaufweitung hingegen wird ein Segmentwerk­ zeug (Spreizdorn) in das Innenrohr hineingeschoben. Durch den Spreizdorn- Hohlraum wird sodann ein dornartiger Verdränger- Körper hindurchgezogen und auf diese Weise das Innenrohr unter Zwischenschaltung der Segmente aufgeweitet. Bei dieser plastischen Verformung wird die Wandstärke reduziert, und zwar, über den Umfang des Innenrohres betrachtet, im wesent­ lichen lediglich in den freien Umfangsabschnitten zwischen den Einzelsegmenten. Bei der Radialaufweitung erfolgt praktisch keine Verkürzung der axialen Innenrohrlänge.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es die Verwendung zweier starrer metallener Rohre gestattet. Der Verdichtungsgrad des Isolationsmantels ist nach der erfindungsgemäßen Aufweitung des Innenrohres so groß, daß das Doppelrohr im Zuge seiner Weiterverarbeitung entsprechend allen in der Praxis vorkommenden Biegeradien gebogen werden kann. Wichtig ist, daß beim Biegen der isolierte Ringraum zwischen Innen- und Außenrohr im wesent­ lichen unverändert erhalten bleibt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zudem der Vorteil beibehalten, daß das Außen­ rohr vor der Herstellung des Doppelrohres bereits das gewünschte Fertigmaß aufweist.

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen bekannten Doppel­ rohr (DE-PS 33 27 353), liegt der Erfindung außerdem die Auf­ gabe zugrunde, ein einfacher aufgebautes und zudem mechanisch widerstandsfähigeres Doppelrohr zu schaffen. Und zwar geht die Erfindung von einem Doppelrohr, insbesondere für kataly­ satorbestückte Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen, aus, welches mit einem in einem Ringraum zwischen einem starren metallenen Innenrohr und einem metallischen Außenrohr ange­ ordneten verdichteten Isolationsmantel aus temperaturbestän­ digem Werkstoff versehen ist, wobei das Außenrohr ein bereits seine endgültigen Durchmesser aufweisendes Fertigrohr dar­ stellt (s. DE-PS 33 27 353, Fig. 1).

Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Außenrohr starr ist, während das Innenrohr einen in situ plastisch verformten, den Isolationsmantel verdichtend gegen die Innenmantelfläche des Außenrohres pressenden, radial aufgeweiteten Rohrkörper bildet.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Doppelrohres wurden bereits weiter oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben. Das erfindungsgemäße Doppelrohr zeich­ net sich trotz ausschließlicher Verwendung starrer Rohre insbesondere durch seine Biegefähigkeit im Zuge der Fertig­ stellung einer Abgasanlage aus. Im Unterschied zu dem mechanisch nicht so widerstandsfähigen flexiblen Außenrohr gemäß der DE-PS 33 27 353, verfügt das erfindungsgemäße Doppel­ rohr demnach auch über ein mechanisch äußerst widerstandsfähi­ ges starres Außenrohr.

Zweckmäßig ist das Innenrohr auf seiner gesamten Axial­ länge aufgeweitet.

Der Isolationsmantel des erfindungsgemäßen Doppelrohres besteht vorteilhaft aus einem zusammenhängenden rohrförmigen Körper mit einer Aluminiuminnenhülse und einer Aluminiumaußen­ hülse, zwischen denen der insbesondere vliesartige Isolations­ werkstoff eingeschlossen ist. Ein solcher hohlzylindrischer Isolationsmantel umgibt das Innenrohr verhältnismäßig eng.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, den Isolationsmantel bandagenartig herzustellen.

Bei gewissen Anwendungsfällen kann es zweckmäßig sein, daß der Isolationsmantel Axialbereiche des Innenrohres frei­ läßt. Z. B. können Endbereiche des Innenrohres für den Fall keinen Isolationsmantel tragen, daß nach der Herstellung des Doppelrohres Flansche angeschweißt werden müssen. Auch kann es zweckmäßig sein, z. B. in einem mittleren Bereich eines Doppelrohres den Isolationsmantel wegzulassen, wenn dort das Rohr zum Einschweißen eines Abzweiges (insbesondere bei einem Sechszylinder-Motor mit Doppel-Auspuffkrümmer) ausgeklinkt werden soll.

Wesentlich ist ein Verfahrensschritt, wonach das Außen­ rohr und Innenrohr aufweisende Doppelrohr nach Aufweitung des Innenrohrs und der damit verbundenen Verdichtung des Isolationsmantels einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

Diese Wärmebehandlung ist für den Fall vorteilhaft, daß das Innenrohr aus zu einem durch die Aufweitung zur Kalt­ verfestigung neigendem Werkstoff besteht. Eine unzulässige Kaltverfestigung würde nämlich mit nachfolgenden Konfek­ tionierungsarbeiten verbundene Verformungsvorgänge zumindest erschweren. Andererseits wird durch die hiermit einhergehende Erwärmung des Isolationsmantels und dessen etwaiger Binde­ mittel sowie Klebebefestigungsstellen eine vollständige Entgasung des Bereichs zwischen Innen- und Außenrohr sicher­ gestellt. Diese vorzeitige Entgasung des Isolationsmantels verhindert jedenfalls eine unbeabsichtigte spätere Entgasung

• - verbunden mit einem schädlichen unzulässig hohen Innendruck
• - bei Inbetriebnahme der fertigen Abgasanlage.

Zweckmäßig findet die Wärmebehandlung in einem üblichen Durchlaufofen unter Schutzgasatmosphäre statt. Die Behandlungs­ temperatur sollte für die vorerwähnten verwendeten Werkstoffe bei ca. 835°C liegen.

Im Hinblick auf eine vollständige Entgasung des Isolationsmantel sollte die Behandlungstemperatur etwa 15 Minuten beibehalten werden. Zur Erzielung eines gleichmäßigen Kornaufbaus des metallischen Werkstoffgefüges erfolgt die Abkühlung zeitverzögert allmählich.

In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel entsprechend der Erfindung in Form eines axialen Längsschnit­ tes durch ein Doppelrohr näher dargestellt. Die Zeichnung gibt zugleich wesentliche Verfahrensschritte wieder.

Das Doppelrohr ist insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Es weist ein Innenrohr 11 und ein Außenrohr 12 auf. Die beiden längsnahtgeschweißten Rohre 11, 12 bestehen aus geeignetem Stahl, beispielsweise aus X8Cr17.

Die Rohre 11, 12 sind konzentrisch zueinander angeordnet und bilden beim gezeigten Ausführungsbeispiel einen größer bemessenen Ringraum R₁ und zwei kleiner bemessene Ringräume R₂. Der größere Ringraum mit einer Spaltweite von etwa 5,13 mm nimmt den noch unverdichteten Isolationsmantel 13 auf, während die beiden kleiner bemessenen Ringräume R₂ mit einer Spalt­ weite von 3 mm der Aufnahme des bereits verdichteten Isolier­ mantels 13 dienen.

Anhand der Zeichnung sind die wesentlichen Verfahrens­ schritte herleitbar, die zur Herstellung des Doppelrohres 10 führen:
Das Außenrohr 12 besitzt einen Außendurchmesser Ba = 60 mm und einen Innendurchmesser B_i = 57,6 mm.

Das unverformte Innenrohr 11 weist einen Außendurchmesser A_1a = 47,35 mm und einen Innendurchmesser A_1i = 44,95 mm auf. Der Dämmstoff- bzw. Isolationsmantel 13 weist in diesem Bereich eine Schichtdicke von 5 mm auf, während die Spaltweite des Ringraums R₁ 5,13 mm beträgt.

Das geweitete Innenrohr weist einen Innendurchmesser A_2i = 49,2 mm und einen Außendurchmesser A_2a = 51,6 mm auf.

Hieraus ergibt sich eine Spaltweite in den Ringräumen R₂ von 3 mm, was bedeutet, daß durch die Aufweitung des Innen­ rohres 11 der Isolationsmantel 13 zu einer Schichtdicke von 3 mm verdichtet wurde. Die Wandstärke s_a des Innenrohres 11 und die Wandstärke s_b des Außenrohres 12 betragen in jedem Falle 1,2 mm.

Zu Beginn des Verfahrens wird zunächst der Isolations­ mantel 13 auf die Außenmantelfläche 14 des Innenrohres 11 aufgebracht, derart, daß der Isolationsmantel 13 das Innen­ rohr 11 eng und fest umschließt.

Das den Isolationsmantel 13 tragende Innenrohr 11 wird sodann etwa mit Schiebesitzpassung (0,065 mm allseitiges Spiel stehen etwa zur Verfügung) in das Außenrohr 12 eingeschoben. Sodann werden zwei Aufweitdorne 15, 16, die jeweils einen Dornkörper 17 und eine Betätigungsstange 18 aufweisen, mit gegenläufigen Bewegungsrichtungen v und u in den Innenraum des Innenrohres 11 hineingepreßt. Hierbei wird das Innenrohr 11 plastisch verformt, d. h. aufgeweitet. Zugleich wird durch diese Aufweitung der Isolationsmantel 13 von einer Schicht­ dicke von 5 mm auf eine Schichtdicke von 3 mm verdichtet.

Nachdem die beiden Dorne 15, 16 bei Fortschreiten ihrer gegenläufigen Bewegungen v und u gegeneinandergestoßen sind (in der Zeichnung nicht dargestellt), wird ein Dorn (z. B. der Dorn 16), in Richtung v zurückbewegt, während der andere Dorn 15 seine anfängliche Bewegungsrichtung v bis zur vollen­ deten Aufweit-Verformung des gesamten axial mittleren Be­ reichs des Innenrohres 11 fortsetzt.

Der Isolationsmantel 13 selbst ist im vorliegenden Falle hohlzylindrisch ausgebildet und besteht aus einer Innenhülse und einer Außenhülse aus Aluminium-Folie. Zwischen Innen- und Außenhülse nach außen hin abgeschlossen, befindet sich ein Mineralstoffvlies. Im Zusammenhang mit den vorstehenden Er­ läuterungen wird deutlich, daß der gesamte zusammenhängende hohlzylindrische Isolationsmantel 13 während der Aufweitung des Innenrohres 11 eine Dehnung erfährt und hierbei zwischen der Außenmantelfläche 14 des Innenrohres 11 und der Innen­ mantelfläche 19 des Außenrohres 12 faltenfrei bzw. glatt zusammengepreßt wird.

Das so fertiggestellte Doppelrohr 10 kann sodann mit einem kleinsten Krümmungsradius von 1,5×B_a gebogen werden, wobei der verdichtete Isolationsmantel 13 beide Rohre 11, 12 im Bereich der Biegung zuverlässig voneinander distanziert.

Bei der vorbeschriebenen Aufweitung handelt es sich um eine Axialaufweitung. Selbstverständlich ist für besondere Anwendungsfälle auch eine Radialaufweitung mit einem an sich bekannten Spreizdorn möglich. Die Axialaufweitung gestattet indes die Verarbeitung größerer Rohrlängen.

Selbstverständlich ist das Doppelrohr 10 nicht auf die vorbezeichneten Abmessungen beschränkt; vielmehr können alle praktikablen Abmessungen und geeigneter Rohr- sowie Isolations­ werkstoffe zur Verwendung gelangen.

Claims (14)

1. Doppelrohr, insbesondere für katalysatorbestückte Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem in einem Ringraum zwischen einem starren metallenen Innenrohr und einem metallenen Außenrohr angeordneten verdichteten Isola­ tionsmantel aus temperaturbeständigem Werkstoff, wobei das Außenrohr ein bereits seine endgültigen Durchmesser aufweisen­ des Fertigrohr darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (12) starr ist, während das Innenrohr (11) einen in situ plastisch verformten, den Isolationsmantel (13) verdich­ tend gegen die Innenmantelfläche (19) des Außenrohres (12) pressenden, radial aufgeweiteten Rohrkörper bildet.

2. Doppelrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (11) auf seiner gesamten Axiallänge aufgewei­ tet ist.

3. Doppelrohr nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationsmantel (13) rohr­ förmig vorgeformt ist.

4. Doppelrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationsmantel Axialbereiche des Innenrohres freiläßt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Doppelrohres mit einem in einem Ringraum zwischen einem metallenen Innenrohr und einem bereits seine endgültigen Durchmesser aufweisenden metallenen fertigen Außenrohr angeordneten zusammenhängenden Isolationsmantel aus temperaturbeständigem Werkstoff, bei welchem der Isolationsmantel in das Außenrohr eingebracht und nachfolgend von innen nach außen verdichtet und das eingescho­ bene Innenrohr während des Verdichtens in seine endgültige Relativlage bezüglich des Außenrohres hineinversetzt wird, nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationsmantel (13) auf dem Innenrohr (11), welches starr und geradlinig ist, angebracht wird, worauf das vom Isolations­ mantel (13) umgebene Innenrohr (11) etwa mit Schiebesitzpas­ sung in das starre, glatte, geradlinige Außenrohr (12) hinein­ geschoben und sodann das Innenrohr (11) unter plastischer Verformung aufgeweitet wird, wobei der Isolationsmantel (13) zugleich zwischen der Außenmantelfläche (14) des Innenrohres (11) und der Innenmantelfläche (19) des Außenrohres (12) radial eingepreßt und verdichtet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationsmantel (13), das Innenrohr (11) fest umringend (bei 14), auf letzterem angebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Isolationsmantel (13) bei Auf­ weitung des Innenrohres (11) zugleich entlang seines Umfangs gedehnt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (12) sowie das den Isolationsmantel (13) tragende Innenrohr (11) raumfest gehal­ ten werden und mindestens ein, Übermaß gegenüber dem Innenquer­ schnitt des Innenrohres (11) aufweisendes, etwa dornartiges Aufweitwerkzeug (15, 16) axial durch das Innenrohr (11) hin­ durchbewegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Aufweitwerkzeuge (15, 16) gegenläufig zueinander (bei v und u) in das Innenrohr (11) hineingeschoben werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach Gegeneinanderstoßen der beiden gegenläufig bewegten (bei v und u) Aufweitwerkzeuge (15, 16) das eine Aufweitwerk­ zeug (z. B. 16) zurückbewegt wird, während das andere Aufweit­ werkzeug (z. B. 15) seine anfängliche Bewegungsrichtung (v) bis zur endgültigen Verformung des gesamten axial mittleren Innen­ rohrbereiches fortsetzt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus mehreren umfangsverteilten Segmen­ ten bestehender Spreizdorn in das Innenrohr (11) eingeführt wird und sodann durch den von den Segmenten umschlossenen Dorninnenraum ein Verdrängerkörper unter Aufweitung des Innen­ rohres (11) - und zwar mittelbar über die Spreizsegmente - axial hindurchbewegt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (12) und Innenrohr (11) aufweisende Doppelrohr (11, 12, 13) nach Aufweitung des Innen­ rohrs (11) und der damit verbundenen Verdichtung des Isolationsmantels (13) einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung unter Schutzgasatmosphäre, wie z. B. Stickstoff od. dgl., erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen einer Aufheizphase und einer Abkühl­ phase das Doppelrohr (11, 12, 13) eine Zeit lang bei gleich­ bleibender Wärme unter Schutzgasatmosphäre gehalten wird.