DE68905367T2

DE68905367T2 - Waermedaemmende keramikartikel, anzuwenden bei auspuffrohren von brennkraftmaschinen und verfahren zu ihrer herstellung.

Info

Publication number: DE68905367T2
Application number: DE8989303988T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Hamanaka; Takashi Harada; Shunichi Yamada
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-05-02
Filing date: 1989-04-21
Publication date: 1993-08-12
Anticipated expiration: 2009-04-22
Also published as: EP0340946A2; JPH01280616A; EP0340946A3; DE68905367D1; EP0340946B1; US4972674A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft wärmedämmende Keramikartikel zur Verwendung für Auspuffrohre bei Verbrennungsmotoren und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Bei einem System zur Reinigung von Abgasen von Verbrennungsmotoren wie Benzinmotoren und Dieselmotoren und zum Verhindern von Luftverschmutzung durch derartige Abgase, ist es erwünscht, daß die Temperatur der Abgase hoch gehalten wird, da eine Verringerung der Temperatur der Abgase die Reinigungsleistung des Katalysators herabsetzt. Aus diesem Grund wird, wie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 51-16,168 beschrieben, vorgeschlagen, daß eine Abgasöffnung in einem Zylinderkopf oder ein Auspuffkrümmer mit einer wärmedämmenden Keramikauskleidung ausgekleidet ist. Obwohl eine derartige Keramikauskleidung von einem Metall wie Aluminium oder ähnlichem umschlossen ist, ist die Wärmedämmwirkung nicht ausreichend, da die Dicke der Auskleidung etwa 2 bis 3 mm beträgt. Als Ergebnis steigt die Temperatur der Abgase im Vergleich zu einem Fall, in dem keine Auskleidung vorgesehen ist, lediglich um etwa 20ºC.
Unter diesen Umständen wird ein Versuch unternommen, bei dem aus feuerfestem Material hergestellte Fasern um die Außenperipherie einer Keramikauskleidung gewickelt werden, und die Keramikauskleidung dann so umschlossen ist, daß Wärmedänmung durch die Faserschicht verstärkt wird. Da die Fasern jedoch aufgrund von Wärmeschocks beim Starten und Abstellen der Motore oder aufgrund von Motorvibrationen und Wärme allmählich beschädigt werden, verlieren sie die Fähigkeit, die Keramikauskleidung zu halten. Schließlich besteht die Möglichkeit, daß die Keramikauskleidung aus den Fasern herausrutscht. Daher veranschaulicht die US-A-4604799 einen Zylinderkopf, bei dem eine Keramikspritzgußauskleidung vom Metall durch eine Deckschicht aus Fasern getrennt ist. Des weiteren wird, wie in der offengelegten japanischen Gebrauchsmusterregistrierungsanmeldung Nr. 54-56,010 gezeigt, durch Anordnen einer metallischen Platte um die äußere Peripherie der Keramikauskleidung ein Raum gebildet, sodaß die Wärmedämmeigenschaft, die die Luft besitzt, ausgenützt werden kann. Da der Aufbau jedoch kompliziert und die Produktionskosten hoch sind, und da die Keramikauskleidung nur an gegenüberliegenden Enden gehalten wird, gibt es insofern ein Problem, als es wahrscheinlich ist, daß Kräfte zum Halten der Keramikauskleidung verloren gehen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die obengenannten Probleme zu lösen und einen wärmedämmenden Keramikartikel für ein Auspuffrohr in einem Verbrennungsmotor zu schaffen, welcher Artikel die Temperatur von Abgasen beträchtlich höher als bei bekannten Artikeln halten kann, frei von Reduktion der Kräfte zum Halten einer Keramikauskleidung ist, keinen komplizierten Aufbau aufweist und kostengünstig hergestellt werden kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines derartigen wärmedämmenden Keramikartikels.
Die vorliegende Erfindung schafft einen wärmedämmenden Keramikspritzgußartikel wie in Anspruch 1 dargelegt.
Ein derartiger wärmedämmender Keramikspritzgußartikel kann nach dem in Anspruch 9 dargelegten Verfahren hergestellt werden.
Ausführungsformen der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung angeführt, die in Verbindung mit den bei liegenden Zeichnungen zu sehen ist, wobei es sich versteht, daß Modifikationen, Variationen und Veränderungen derselben von einem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, durchgeführt werden können.
In den beiliegenden Zeichnungen
ist Figur 1 eine Schnittansicht eines Auspuffkrümmers einer ersten Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung;
ist Figur 2 eine Schnittansicht von Figur 1, entlang einer Linie II-II;
ist Figur 3 eine Schnittansicht einer Zylinderkopf-Auslaßöffnungsauskleidung als eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform; und
sind die Figuren 4(A) bis 4(D) perspektivische Ansichten von schematisch dargestellten Verbindungsgrenzen zwischen Keramikauskleidungen und metallischen Elementen.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen detaillierter beschrieben:
In Figur 1 wird ein Auspuffkrümmer im Schnitt als eine Anwendungsform gezeigt, auf welche die vorliegende Erfindung angewandt wird. Die Bezugszeichen 1 und 2 sind eine Keramikauskleidung für einen Auspuffkrümmer bzw. ein metallisches Element. Das metallische Element besteht beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung und umschließt die äußere Peripherie der Keramikauskleidung. Die Keramikauskleidung 1 besteht aus einem Keramikmaterial, beispielsweise einem, das nicht weniger als 65% Aluminiumtitanat als eine kristalline Phase enthält und die durchschnittliche Teilchengröße von nicht weniger als 10 um einen Elastizitätsmodul von 500 bis 20 000 MPa (50 bis 2 000 kp/mm²), eine Druckfestigkeit von 50 bis 400 MPa (5 bis 40 kp/mm²), eine Porosität von 5 bis 35% und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,8 bis 50x10³ cal.cm.sec.ºC aufweist. Dadurch kann auch bei einer komplizierten Form wie der Auskleidung einer gegabelten Öffnung verhindert werden, daß die Keramikauskleidung 1 während des Gießens springt. Wie in Figur 1 gezeigt, besteht die Verbindung zwischen der Keramiköffnungsauskleidung 1 und einem metallischen Element 2 aus Kontaktbereichen, 3, an denen die Keramikauskleidung 1 das metallische Element direkt berührt, während es wärmedämmende Luftschichten 4 gibt, an denen sie sich nicht berühren. Wie schematisch in den Figuren 4(A) bis 4(D) gezeigt, können die Kontaktflächen 3 linear, spiralförmig oder punktförmig vorgesehen sein. Es ist vorzuziehen, daß die Kontaktflächen 3 gleichmäßig über die gesamte äußere Peripherie der Keramikauskleidung 1 verteilt sind. Jedoch stellt das keine grundlegende Einschränkung dar, und z.B. leichte Abweichung davon ist zulässig. Die Kontaktbereiche 3 dienen zum Halten der Keramikauskleidung, und es ist vorzuziehen, die Kontaktbereiche 3 zu verringern und die Fläche der wärmedämmenden Luftschichten 4 zu erhöhen, sodaß die Wärmedämmung verbessert werden kann. In der Praxis beträgt die Gesamtfläche der Kontaktflächen nicht mehr als 35% der Gesamtfläche der Grenzfläche, und vorzugsweise nicht mehr als 10%. Die Dicke der wärmedämmenden Luftschicht beträgt vorzugsweise 0,5 bis 5 mm. Das Innere der wärmedämmenden Luftschicht ist leer oder kann mit Fasern oder ähnlichem gefüllt sein.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die vorliegende Erfindung auf eine Öffnungsauskleidung angewandt ist. Der Aufbau einer Verbindungsgrenze ist der gleiche wie beim obigen Auspuffkrümmer.
Da nicht nur die Keramikauskleidung 1 selbst wärmedämmende Eigenschaft aufweist, sondern auch die wärmedämmenden Luftschichten 4 hervorragende Wärmedämmwirkung zeigen, kann die Temperatur von Abgasen durch einen derartigen wärmedämmenden Keramikspritzgußartikel gemäß vorliegender Erfindung hoch gehalten werden. Des weiteren wird, da die äußere Peripherie der Keramikauskleidung 1 direkt von den präzise gemäß vorliegender Erfindung gebildeten Kontaktbereichen 3 abgestützt wird, nicht gefürchtet, daß die Kräfte zum Halten der Keramikauskleidung 1 verringert werden.
Als nächstes wird das Beispiel für das Verfahren zum Herstellen des wärmedämmenden Keramikspritzgußartikels gemäß vorliegender Erfindung erklärt.
Zuerst wird die äußere Peripherie der Keramikauskleidung 1 mit einer Schicht bedeckt, die einer Metallschmelze während des Spritzgusses standhalten kann. Es ist vorzuziehen, ein wasserlösliches Glaspulver oder eine wasserlösliche Glasfaserfolie zu verwenden, die nach dem Gießen entfernt werden kann, oder einen Gußsand, der durch ein Cold-Box-Verfahren verfestigt wird. Die Glasfaserfolie ist aus Glas hergestellt, das nicht weniger als 30 Gew.-% Boroxid und vorzugsweise nicht weniger als 50 Gew.-% davon enthält. Die Glasfaserfolie kann der Temperatur, bei der die Keramikauskleidung mit Aluminium umschlossen wird, ausreichend standhalten, was nach kurzer Zeit beendet ist und kann leicht mit heißem Wasser, das eine alkalische Verbindung wie NaOH enthält, herausgelöst werden. Andererseits ist das Cold-Box-Verfahren ein Verfahren, bei dem ein Isozyanatharz Gußsand als Bindemittel hinzugefügt wird und nach dem Formen mit Amingas ausgehärtet wird. Nach der Wärmebehandlung bei etwa 500ºC kann das Harz einfach durch leichte Vibrationen zerbrochen werden. Eine derartige Schicht ist teilweise mit Einschnitten ausgebildet. Wenn die Keramikauskleidung 1 mit dem geschmolzenen Metall in dem Zustand umschlossen wird, in dem die Auskleidung mit der Schicht bedeckt ist, fließt das geschmolzene Metall in die in der Schicht gebildeten Einschnitte, und verfestigt sich dort, um Kontaktbereiche zwischen der Keramikauskleidung 1 und dem metallischen Element 2 zu bilden. Andererseits werden Abschnite, an denen das geschmolzene Metall von der Schicht am Hineinfließen gehindert wird, in die wärmedämmenden Luftschichten als Lücken umgewandelt, indem die Schicht mit heißem Wasser oder durch Wärmebehandlung entfernt wird. Als das Material der Schicht kann neben den obigen Materialien eine herkömmliche Faserfolie verwendet werden. In diesem Fall kann die Folie nach dem Verfestigen mechanisch herausgekratzt werden. Wenn die Porosität der Schicht selbst groß ist, kann die Schicht als eine wärmedämmende Schicht 4 erhalten bleiben, ohne entfernt zu werden. Der wärmedämmende Keramikspritzgußartikel gemäß vorliegender Erfindung kann nach dem obigen Verfahren leicht und kostengünstig hergestellt werden.
Um die Wirkung der Artikel gemäß vorliegender Erfindung zu bestätigen, wurde der folgende Versuch durchgeführt.
Ein Zylinder mit einem Außendurchmesser von 30 mm, einer Dicke von 4 mm und einer Länge von 300 mm wurde aus einem Keramikmaterial hergestellt, daß Aluminiumtitanat als Hauptkristalle enthielt und einen Elastizitätsmodul von 200 kp/mm² aufwies. Als nächstes wurde wasserlösliche Glasfaserfolie um die äußere Peripherie des Zylinders angepaßt, der dann im Spritzguß mit Aluminium umgossen wurde. Die Folie wurde mit einer Anzahl von Löchern mit 3 mm Durchmesser ausgebildet, um einen Flächenanteil der Kontaktflächen von 10% bis 20% zu ergeben. Als Ergebnis wurde ein Spritzgußprodukt mit einem Außendurchemsser von 45 mm und einer Länge von 300 mm erhalten. Nach dem Kühlen wurde die wasserlösliche Glasfaserschicht durch Waschen mit Wasser entfernt.
Abgase von einem Motor bei 700ºC wurden zu jedem der so erhaltenen Teststücke geleitet, und die Wärmedämmwirkung davon wurde bewertet. Im Vergleich zu einem Auspuffrohr aus rostfreiem Stahl ohne Keramikzylinder konnte die Temperatur der Abgase im Fall der Aluminiumspritzgußteststücke, bei denen der Flächenanteil der Kontaktflächen 3 10% und 20% betrug, um 70ºC bzw. 60ºC höher gehalten werden. Des weiteren konnte im Fall eines Teststücks, bei dem eine Keramikfaserfolie mit einer größeren Porosität und darin ausgebildeten Löchern, sodaß der Flächenanteil der Kontaktbereiche 3 20% ausmachte, verwendet und nach dem Spritzguß nicht entfernt wurde, die Temperatur der Abgase um etwa 40ºC höher gehalten werden. Die Temperatur der Abgase konnte im Fall einer direkt mit Aluminium umschlossenen Keramikauskleidung, bei der der Flächenanteil der Kontaktfläche 3 100% betrug, um etwa 20ºC höher gehalten werden.
Wie aus der vorangehenden Erläuterung deutlich wird, hat die vorliegende Erfindung verschiedene Vorteile. Das heißt die Wärmedämmwirkung ist hervorragend und die Temperatur der Abgase kann im Vergleich zu bekannten Artikeln ausreichend höher gehalten werden. Des weiteren wird nicht befürchtet, daß die Kraft zum Halten der Keramikauskleidung geringer sein wird, der Aufbau ist einfach und die Produktion kann kostengünstig durchgeführt werden. Somit ist der Keramikspritzgußartikel gemäß vorliegender Erfindung für die Zylinderkopfauspufföffnung oder den Auspuffkrümmer vorzuziehen.

Claims

1. Wärmedämmender Keramikspritzgußartikel, der für die Verwendung für ein Auspuffrohr bei einem Verbrennungsmotor geeignet ist, umfassend eine Keramikauskleidung (1) und ein metallisches Element (2), das die äußere Peripherie der Keramikauskleidung umschließt, wobei die genannte Keramikauskleidung (1) so ausgebildet ist, daß sie mit den Abgasen in Kontakt steht und vom metallischen Element (2) wärmeisoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Luftisolierschichtbereich(e) (4) zwischen der Keramikauskleidung (1) und dem Metallelement (2) vorhanden ist/sind, und es direkten tragenden Kontakt zwischen der äußeren Peripherie der Keramikauskleidung (1) und dem Metallelement (2) an direkten Kontaktbereichen (3) gibt, die (a) an beiden Enden der Auskleidung (1) und (b) an einer Vielzahl von Stellen vorhanden sind, die im Abstand zwischen den genannten Enden oder an einem oder mehereren direkten Kontaktbereichen (3) angeordnet sind, die sich kontinuierlich vom einem Ende zum anderen Ende der Keramikauskleidung erstrecken, wobei die genannten direkten Kontaktbereiche (3) maximal 35% der gesamten Fläche der äußeren Peripherie der Keramikauskleidung ausmachen.

2. Wärmedämmender Keramikspritzgußartikel nach Anspruch 1, worin die Fläche der genannten direkten Kontaktbereiche (3) 30% der gesamten Fläche der Peripherie der Keramikauskleidung (1) ausmacht.

3. Wärmedämmender Keramikspritzgußartikel nach Anspruch 1 oder 2, worin die Keramikauskleidung (1) aus einem Keramikmaterial mit einem Elastitzitätsmodul von nicht mehr als 20 000 MPa( 2000 kp/mm²) besteht.

4. Wärmedämmender Keramikspritzgußartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die genannten Luftisolierschichtbereiche (4) eine Vielzahl getrennter Bereiche sind, die sich jeweils vom einen Ende der Auskleidung (1) zum anderen erstrecken.

5. Wärmedämmender Keramikspritzgußartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der genannte Luftisolierschichtbereich (4) ein sich spiralförmig erstreckender Bereich ist.

6. Wärmedämmender Keramikspritzgußartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die genannten Kontaktbereiche (3) eine Vielzahl diskreter Bereiche sind, die longitudinal und lateral von der genannten Peripherie der Auskleidung (1) verteilt sind.

7. Wärmedämmender Keramikspritzgußartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die genannten Kontaktbereiche (3) beide Enden der Auskleidung (1) und eine Vielzahl im Abstand angeordneter Bereiche zwischen den genannten Enden umfassen.

8. Wärmedämmender Keramikspritzgußartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 7, der für einen Auspuffkrümmer geeignet ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines wärmedämmenden Keramikspritzgußartikels nach Anspruch 1, zur Verwendung für ein Auspuffrohr bei einem Verbrennungsmotor, das die Schritte des Bedeckens einer äußeren Peripherie der Keramikauskleidung (1) mit einer Öffnungen aufweisenden wärmedämmenden Schicht und des Gießens eines geschmolzenen Metalls um die Auskleidung (1) umfaßt, sodaß das Metall in die Öffnungen der Schicht fließt und sich darin verfestigt, um die genannten direkten Kontaktbereiche (3) zwischen der Keramikauskleidung (1) und dem resultierenden Metallelement (2) zu bilden, sowie das darauffolgende Umwandeln der wärmedämmenden Schicht in den/die genannten Luftisolierschichtbereich oder -bereiche (4).

10. Verfahren nach Anspruch 9, worin die wärmedämmende Schicht aus einem Material besteht, das aus einem wasserlöslichen Glaspulver und einer wasserlöslichen Glasfaserfolie ausgewählt ist, und nach dem Gießen des Metalls durch heißes Wasser entfernt wird, das eine alkalische Verbindung enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 9, worin die wärmedämmende Schicht aus Gußsand nach einem Cold-Box-Verfahren gebildet wird und nach dem Gießen durch Übertragen von Vibrationen auf die Schicht entfernt wird.