WO2004106705A1 - Abgasanlage für ein kraftfahrzeug - Google Patents

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Jürgen Schorn
Jürgen Rickertsen
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Definitions

  • a fiber-reinforced composite material is known from US Pat. No. 4,888,311 and DE 696 04 058 T2, which has hitherto been used in industrial plants, for example for the production of heat shields in kilns or for the production of composite frames for air filters.
  • the object is achieved by the features specified in claim 1.
  • Fig. 3 shows an exhaust pipe connection according to a first embodiment
  • the SiC fibers which are in the form of a fabric mat, are impregnated with the aqueous geopolymer matrix and then applied in layers according to the desired wall thickness to a negative mold, wrapped in a film in which a vacuum is created in order to avoid air pockets. Then the negative mold provided with the appropriate layers hardens in a pressure furnace for a certain time under a certain temperature. Individual parts of the hollow body can be manufactured according to their manufacture by an adhesive, which is based on the geopolymeric compound, are connected to each other.
  • FIGS. 2a to 2f show different embodiments of a catalyst housing which have been produced at least in part on the basis of the fiber-reinforced ceramic composite material.
  • 2a consists of an inlet and outlet funnel 10a and 10b, both of which are connected to one another via an annular jacket 10c. All three components are made of the fiber-reinforced composite material and are glued together.
  • the catalyst body 10d accommodated in the interior of the catalyst housing 10 is likewise glued to the inlet and outlet funnels 10a and 10b of the catalyst housing.
  • the inlet funnel 10a has a widened collar 10e in which the outlet funnel 10b is inserted; both funnels 10a, 10b are glued together with the catalyst body 10d.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem abgasführenden Hohlkörper. Es wird vorgeschlagen, dass der Hohlkörper (2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20) aus einem faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoff besteht.

Description

Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Heutige Abgasanlagen für Kraftfahrzeuge bestehen größtenteils aus Stahlblechen bzw. Stahlrohren aus hochlegierten ferritischen und austenitischen Edelstahlen. Nachteilig dabei ist jedoch das relativ hohe Gewicht sowie die sehr hohen Herstellungspreise für derartige Abgasanlagen. Darüber hinaus treten insbesondere im Kurzstreckenbetrieb, bei dem Abgaskondensat nicht restlos verdampft wird, Korrosionsprobleme auf, die die Haltbarkeit derartiger Abgasanlagen einschränken. Als Alternative zu den Metall - Abgasanlagen wird in der DE 37 08 696 AI vorgeschlagen, Schalldämpfergehäuse aus Kunststoff auszubilden, da diese im Vergleich zu den bekannten Metall- Schalldämpfergehäusen ein geringeres Gewicht aufweisen und gegenüber Korrosion unempfindlicher sind. Der Einsatz insbesondere glasfaserverstärkter Kunststoffe für Abgasanlagen ist jedoch aufgrund der hohen Abgastemperaturen sowie den hohen Anforderungen bezüglich der mechanischen Dauerhaltbarkeit, insbesondere aufgrund der im Fahrzeugbetrieb auftretenden Schwingungen bzw. Vibrationen problematisch, so dass sich derartige Werkstoffe für Abgasanlagen nicht durchsetzen konnten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Werkstoff für Abgasanlagen bzw. Teile davon bereit zu stellen, der eine Gewichtsreduzierung der Abgasanlage bewirkt, ohne dass die Lebensdauer der Abgasanlage aufgrund thermischer, mechanischer oder chemischer (Korrosion) Beanspruchung beeinträchtigt wird.
Aus der US - PS 4,888,311 sowie der DE 696 04 058 T2 ist ein faserverstärkter Verbundwerkstoff bekannt, der bislang in Industrieanlagen beispielsweise für die Herstellung von Hitzeschildern in Brennöfen oder zur Herstellung von Verbundrahmen für Luftfilter Verwendung gefunden hat. Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Untersuchungen haben gezeigt, dass der für die Herstellung von Bauteilen der Abgasanlage verwendete faserverstärkte keramische Verbundwerkstoff auf der Basis von Aluminiumsilikatoxid und einer wässrigen Lösung von Alkalisilikat sehr gute Gebrauchseigenschaften hinsichtlich den speziellen Anforderungen für Abgasanlagen aufweist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Abgasanlage möglich.
Da im Abgaskrümmerbereich sowie im Bereich der Vorkatalysatoren Temperaturen bis zu 1.100° C auftreten, ist es vorteilhaft, als Faserverstärkung keramische Fasern, insbesondere Fasern aus Siliziumkarbid, zu verwenden.
Ein insbesondere zur Herstellung von Schalldämpfer- und Katalysatorgehäusen geeigneter Strukturaufbau zeichnet sich dadurch aus, dass die Fasern als eine Art Gewebematte zusammengesetzt sind, die mit dem als wässriges Reaktionsgemisch vorliegenden keramischen Verbundwerkstoff imprägniert wird.
Bei der Verwendung des faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffes für das Katalysatorgehäuse wird vorgeschlagen, den Katalysatorkörper mit dem Gehäuse zu verkleben. Dabei findet ein Kleber auf der Basis derselben geopolymeren Verbindung Verwendung, wie er bei der Herstellung des Verbundwerkstoffs zum Einsatz kommt. Die Herstellung eines Katalysatorgehäuses ist denkbar einfach, da die einzelnen Teile, wie z.B. Einlass- und Auslasstrichter sowie gfs. der Gehäusemantel ebenfalls über eine Klebeverbindung zusammengefügt werden können.
Letztendlich ist es möglich, die aus wenigstens einem Krümmer, einem Schalldämpfer- und Katalysatorgehäuse sowie aus Verbindungs- bzw. Endrohren bestehende Abgasanlage vollständig aus dem faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoff herzustellen. Alternativ dazu ist es auch möglich, Schalldämpfer- und Katalysatorgehäuse oder auch nur einzelne Bauteile davon aus dem faserverstärkten keramischen. Verbundwerkstoff zu fertigen, während die Verbindungsrohre zwischen diesen Bauteilen aus herkömmlichem Stahl bestehen. Für eine dauerhaltbare Verbindung der Metallrohre mit dem aus dem Verbundwerkstoff gefertigten Gehäuse sind im Verbindungsbereich beider Bauteile entsprechende Verdrehsicherungen, z. B. in Form von Nasen im Innenrohr und Sicken im Außenrohr, vorgesehen.
Hinsichtlich der Faserverstärkung für den keramischen Verbundwerkstoff ist auch der Einsatz unterschiedlicher Fasermaterialien im sog. Sandwich - Verbund denkbar. Dabei wird die den heißen Abgasen direkt ausgesetzte Innenschicht des Hohlkörpers mit einer temperaturbeständigen Faser, wie z. B. Siliziumkarbid, versehen, während die weniger temperaturbelastete Außenschicht beispielsweise mit Kohlefasern verstärkt ist. Ebenso ist ein Faserverbund mit einer dreitägigen Schicht, wie z.B. SiC - Kohlefaser - SiC, möglich, der dann geeignet ist, wenn auch die Aussenschicht hohen Temperaturen ausgesetzt ist, beispielsweise dann, wenn die betreffenden Bauteile dicht am Motor angeordnet bzw. langgeführt sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im nachfolgenden näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Abgasanlage für eine zweireihige Brennkraftmaschine,
Fig. 2 Schnitte durch verschiedene Ausführungsformen eines Katalysatorgehäuses,
Fig. 3 eine Abgasrohrverbindung nach einem ersten Ausführungsbeispiel und
Fig. 4 eine Abgasrohrverbindung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die für einen Sechs - Zylinder - Motor ausgebildete zweiflutige Abgasanlage weist jeweils zwei Drei - Finger - Abgaskrümmer 2 und 4 auf, die zu jeweils einem gemeinsamen Abgasrohr 6 und 8 zusammengeführt sind. Stromabwärts der beiden Abgaskrümmer 2 und 4 ist jeweils ein Abgaskatalysator 10 und 12 angeordnet. Den beiden Abgaskatalysatoren 10 und 12 sind - in Strömungsrichtung der Abgase gesehen - jeweils ein Hauptschalldämpfer 14 und 16 nachgeschaltet. Den Abschluss der zweiflutigen Abgasanlage bildet jeweils ein am Ausgang des Hauptschalldämpfers 14, 16 angeordnetes Endrohr 18 und 20.
Wenigstens eines oder Teile der zuvor genannten Bauteile besteht aus einem faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoff, dessen geopolymere Verbindung auf der Basis von Aluminiumsilikatoxid und einer wässrigen Lösung von Alkalisilikat mit den Reaktionsprodukten M 0/SiO2, Si02 / Al203 und M20 / Al203 aufgebaut ist, wobei M20 entweder Na20 und/oder K20 oder eine Mischung von mindestens einem alkalischen Oxid mit CaO darstellt. Als Faser zur Verstärkung des keramischen Verbundwerkstoffs wird eine SiC - Faser, beispielsweise vom Typ Nikalon® verwendet. Hinsichtlich der Herstellung und der Zusammensetzung des keramischen Verbundwerkstoffs sowie der verwendeten Fasern wird auf die DE 696 04 058 T2 sowie die US - PS 4,888,311 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt ausdrücklich mit in die Anmeldung einbezogen wird.
Zur Herstellung eines abgasführenden Hohlkörpers, wie z. B. den Abgaskatalysatoren 10, 12 sind verschiedene Herstellungsmethoden denkbar:
Die als Gewebematte vorliegenden SiC - Fasern werden mit der wässrigen Geopolymer - Matrix getränkt und dann lagenweise entsprechend der gewünschten Wandstärke auf eine Negativform aufgebracht, in eine Folie eingepackt, in der ein Vakuum erzeugt wird, um Lufteinschlüsse zu vermeiden. Danach härtet die mit den entsprechenden Lagen versehene Negativform für eine bestimmte Zeit unter einer bestimmten Temperatur in einem Druckofen aus. So können Einzelteile der Hohlkörper gefertigt werden, die nach ihrer Herstellung durch ein Kleber, der auf der Basis der geopolymeren Verbindung aufgebaut ist, miteinander verbunden werden.
Eine weitere Herstellungsmethode für die Hohlkörper besteht darin, das getränkte Fasermaterial in eine Form einzulegen und mit einer Gegenform zusammenzupressen. Ebenso ist es denkbar, das getränkte Fasermaterial zu zerkleinern und dann in einer entsprechenden Spritzform zu verarbeiten.
In den Figuren 2a bis 2f sind verschiedene Ausführungsformen eines Katalysatorgehäuses dargestellt, die zumindest teilweise auf der Grundlage des faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffs hergestellt worden sind. Das Katalysatorgehäuse gemäß Fig. 2a besteht aus einem Einlass- und Auslasstrichter 10a und 10b, die beide über einen Ringmantel 10c miteinander verbunden sind. Alle drei Bauteile sind aus dem faserverstärkten Verbundwerkstoff gefertigt und werden miteinander verklebt. Der im Innenraum des Katalysatorgehäuses 10 aufgenommene Katalysatorkörper lOd ist ebenfalls mit dem Ein- und Auslasstrichter 10a und 10b des Katalysatorgehäuses verklebt.
Beim Katalysatorgehäuse gemäß Fig. 2b weist der Einlasstrichter 10a einen aufgeweiteten Kragen lOe auf, in dem der Auslasstrichter 10b eingesteckt ist; beide Trichter 10a, 10b sind zusammen mit dem Katalysatorkörper lOd verklebt.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2c unterscheidet sich gegenüber dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, dass beide Trichter 10a, 10b jeweils einen aus ihrer Umfangsfläche herausgearbeiteten Flansch lOf und 10g aufweisen, über die beide Trichter 10a und 10b mit Hilfe des Klebers verbunden sind.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2d ist analog zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2b ausgeführt, mit dem Unterschied, dass der Katalysatorkörper lOd vollständig im Einlasstrichter 10a aufgenommen ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2e sind Ein- und Auslasstrichter 10a und 10b aus Metall gefertigt, wobei auf der Umfangsfläche des Katalysatorkörpers lOd aus dem Verbundwerkstoff gefertigte Halteringe 10h und lOi aufgeklebt sind, die über eine Schraubverbindung lOj und 10k zwischen Ein- und Auslasstrichter 10a, 10b befestigt sind.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2f bestehen Ein- und Auslasstrichter 10a und 10b aus Metall, während ein den Katalysatorkörper lOd aufnehmendes Mittelteil 101 aus dem faserverstärkten Verbundwerkstoff besteht Alle drei Bauteile können z.B. bei der Herstellung des Mittelteils 101 zusammen gefügt werden.
Auf gleiche oder ähnliche Art und Weise können neben den Katalysatoren 10, 12 auch die restlichen abgasführenden Bauteile, wie Abgaskrümmer 2, 4, Abgasrohre 6, 8 oder Hauptschalldämpfer 14, 16 und Endrohre 18, 20 aus dem faserverstärktem Keramik - Verbundwerkstoff hergestellt werden. Wie bereits beim Katalysatorgehäuse 10 gemäß Fig. 2e und 2f dargestellt, können für die einzelnen Bauteile der Abgasanlage auch verschiedene Werkstoffe verwendet werden.
In den Fig. 3 und 4 sind zwei Ausführungsformen einer Abgasrohrverbindung dargestellt, bei denen das eine Rohr 6a aus dem faserverstärkten Verbundwerkstoff und das andere Rohr 6b aus Metall gefertigt ist. Im Verbindungsbereich beider Rohre 6a und 6b sind aus der Umfangsfläche des Metallrohres 6b Nasen 6c herausgearbeitet, die mit im Rohr 6a ausgebildeten Sicken 6d zusammenwirken und eine dauerhaltbare Verbindung zwischen beiden Rohren gewährleisten. Darüber hinaus ist gemäß Fig. 3 das Ende des Metallrohres 6b mit Aussparungen versehen, wobei die sich dabei ausbildenden Stege 6e in der Mantelfläche des aus dem faserverstärkten Verbundwerkstoffes bestehenden Rohres 6a integriert sind. Auch die an der Abgasanlage vorgesehenen Aufhängungshalter 22, die Befestigungsschellen 24 für die Abgasrohre 6, 8 sowie die Flansche 26 der Abgaskrümmer 2, 4 können aus dem faserverstärkten Verbundwerkstoff gefertigt werden.
Die aus dem faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoff hergestellten Bauteile können noch oberflächenbehandelt werden, indem sie z. B. lackiert, verchromt oder durch ein anschließendes Aufheizen auf über 1.000° C mit einer entsprechenden Glasoptik versehen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem abgasführenden Hohlkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (2,4,6,8,10,12,14,16,18,20) aus einem faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoff besteht.
2. Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des keramischen Verbundwerkstoffs eine geopolymere Verbindung auf der Basis von Aluminiumsilikatoxid und einer wässrigen Lösung von Alkalisilikat mit den Reaktionsprodukten M20/Si02, Siθ2/AI203 und M20/Al203 Verwendung findet, wobei M ein alkalisches Kation darstellt.
3. Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung aus keramischen Fasern, insbesondere aus SiC- Fasern besteht.
4. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern ein Gewebe bilden, das mit dem wässrigen Reaktionsgemisch imprägniert ist.
5. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der abgasführende Hohlkörper als Gehäuse (10, 12) für die Aufnahme eines Katalysatorkörpers (lOd) ausgebildet ist, der im Gehäuse (10, 12) verklebt ist.
6. Abgasanlage nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber auf der Basis der geopolymeren Verbindung aufgebaut ist.
7. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage aus wenigstens einem Krümmer (2, 4), einem Schalldämpferund Katalysatorgehäuse (10, 12, 14, 16) sowie Verbindungs- bzw. Endrohren (6, 8, 18, 20) besteht. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Abgasanlage vorgesehene Aufhängungshalter (22) und Befestigungsschellen (24) für die Abgasrohre (6, 8) sowie Flansche (26) der Abgaskrümmer (2, 4) aus dem faserverstärkten Verbundwerkstoff gefertigt sind.
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