PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19536124A1 03.04.1997
Titel Abgaskrümmer
Anmelder Elring Klinger GmbH, 72581 Dettingen, DE
Erfinder Hotschicke, Detlef, 91077 Neunkirchen, DE;
Schmenkel, Olaf, 72555 Metzingen, DE;
Wagenplast, Dieter, 70771 Leinfelden, DE;
Walter, Gerhard, 72581 Dettingen, DE
Vertreter Höger, Stellrecht & Partner, 70182 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 28.09.1995
DE-Aktenzeichen 19536124
Offenlegungstag 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse F01N 7/14
IPC-Nebenklasse F01N 7/16   C04B 28/26   C04B 18/06   C04B 14/24   C04B 14/18   C04B 14/20   C04B 38/08   C04B 14/38   
Zusammenfassung Bei einem Abgaskrümmer für eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit einem die Innenseite des Krümmers bildenden Rohr mit mindestens einem Anschlußstück zur Verbindung mit mindestens einem Brennraum des Verbrennungsmotors und mit einer um das Rohr herum angeordneten Wärmedämmschicht wird vorgeschlagen, daß die Wärmedämmschicht aus einer sehr schnell aushärtbaren Formmasse hergestellt ist, welche ein hochtemperaturfestes Bindemittel, eine partikelförmige Komponente eines porenhaltigen Materials und eine faser- oder nadelförmige Verstärkungskomponente umfaßt, und daß die Wärmedämmschicht als solche die äußere Oberfläche des Abgaskrümmers bildet, damit der Abgaskrümmer den Härtebedingungen im Motorraum eines Kfz gewachsen ist, eine geringe Wärmekapazität aufweist und trotzdem eine hervorragende Isolationswirkung entfaltet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer für eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit einem die Innenseite des Krümmers bildenden Rohr mit mindestens einem Anschlußstück zur Verbindung mit mindestens einem Brennraum des Verbrennungsmotors und mit einer um das Rohr herum angeordneten Wärmedämmschicht.

Abgaskrümmer dieser Art beinhalten in den allermeisten Fällen ein als Verzweigungs- oder Sammelrohr ausgebildetes Rohr mit einer Mehrzahl von Anschlußstücken zur Verbindung mit einer Mehrzahl an Brennräumen des Verbrennungsmotors.

Die allgemein üblichen Abgaskrümmer werden als massive Gußbauteile hergestellt. Diese Gußbauteile werden im Betrieb des Motors ziemlich heiß und strahlen Wärme in den Motorraum ab.

Ein weiteres Problem des massiven Gußbauteils als Abgaskrümmer liegt darin, daß dieses Bauteil eine relativ hohe Wärmekapazität aufweist, so daß insbesondere beim Motorstart das Gußbauteil das Abgas über einen längeren Zeitraum sehr stark abkühlt. In dieser Zeit weist das Abgas eine zu niedrige Temperatur auf, um den Abgaskatalysator innerhalb kürzerer Zeit funktionsfähig, d. h. auf die notwendige Betriebstemperatur aufheizen zu können. Der Wärmeverlust der gesamten Abgasanlage bis zum Katalysator ist vor allem bei Motoren mit niedrigem Verbrauch auch im Normalbetrieb oft so groß daß bei niedrigen Motordrehzahlen, beispielsweise im Leerlauf, keine ausreichend hohe Temperatur im Abgaskatalysator aufrechterhalten werden kann, so daß die Reinigungsleistung des Katalysators bei solchen Betriebsbedingungen rapide abfällt.

Den ungenügend hohen Temperaturen im Abgaskatalysator wird teilweise dadurch zu begegnen gesucht, daß man den Abgaskatalysator mit einer elektrisch betriebenen oder mit Verbrennung von Kraftstoffen arbeitenden Heizvorrichtung versieht, welche insbesondere in der Anfahrphase den Katalysator schnell auf Betriebstemperatur bringen soll. Dies erhöht den Steuerungsaufwand in der Katalysatoranlage nicht unbeträchtlich. Darüberhinaus liegen die Fertigungskosten solcher Katalysatoren auch deutlich über denen der unbeheizten.

Um dem Problem der zu hohen Wärmeabstrahlung entgegenzuwirken, wurde ein doppelschaliger Abgaskrümmer entwickelt, welcher aus zwei dünnwandigen Stahlrohren mit einem dazwischen eingeschlossenen Luftspalt besteht. Alternativ kann dieser Luftspalt auch mit einem Isolationsmaterial gefüllt sein.

Die Wärmekapazität dieses Abgaskrümmers ist durch die Verringerung der metallischen Masse reduziert, wobei allerdings der Krümmer in der Fertigung sehr teuer und darüberhinaus sehr kompliziert herzustellen ist. Weiterhin ist die Isolationswirkung der doppelschaligen Abgaskrümmer in vielen Anwendungsfällen nicht ausreichend.

Eine ähnliche Lösung ist aus der DE-24 03 998-A1 bekannt, bei der auf das Stahlrohr eines Abgaskrümmers eine Wärmedämmschicht aufgebracht wird, die wiederum mit einem Gehäuse abgedeckt wird. Ziel dieser Ausgestaltung des Abgaskrümmers ist, die Wärmeabstrahlung und die Geräuschbildung im Motorraum zu reduzieren, d. h. letztendlich, den Abgaskrümmer zu kapseln. Die Wärmedämmschicht wird zusammen mit Gehäusehalbschalen fertiggestellt und läßt sich in diesem vorfabrizierten Zustand mit dem Stahlrohr des Abgaskrümmers verbinden, so daß neben einer einfachen Montage verschiedene andere Montageprobleme gelöst werden.

Nachteilig bei dieser Lösung ist der komplizierte Aufbau des Wärmedämmaterials sowie die Notwendigkeit eines Gehäuses, was insgesamt gesehen einen hohen Fertigungsaufwand bedeutet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abgaskrümmer vorzuschlagen, der den harten Bedingungen im Motorraum eines KFZ gewachsen ist, eine geringe Wärmekapazität aufweist und trotzdem eine hervorragende Isolationswirkung entfaltet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmedämmschicht aus einer aushärtbaren Formmasse gebildet ist, welche ein hochtemperaturfestes Bindemittel, eine partikelförmige Komponente eines porenhaltigen Materials und eine faser- oder nadelförmige Verstärkungskomponente umfaßt, und daß die Wärmedämmschicht als solche die äußere Oberfläche des Abgaskrümmers bildet.

Bei einer solchen Wärmedämmschicht kann die aushärtbare Formmasse die äußere Oberfläche des Abgaskrümmers selbst darstellen und benötigt kein zusätzliches Gehäuse, was den Abgaskrümmer nicht nur in seinem Gewicht reduziert, sondern darüberhinaus noch die Wärmekapazität des Abgaskrümmers weiter reduziert.

Bei der erfindungsgemäß einzusetzenden aushärtbaren Formmasse kann ein selbsttragendes Bauteilelement erhalten werden, das zum einen eine ausreichende Festigkeit aufweist, um den schwierigen Betriebsbedingungen im Motorraum zu genügen und darüberhinaus die eigentliche Stabilität des Abgaskrümmers zu gewährleisten. Angesichts dessen kann das innenliegende Rohr des Abgaskrümmers auch von der Materialstärke her reduziert werden auf eine Dicke, die der chemischen und thermischen Belastung durch die aus den Brennräumen aus strömenden Verbrennungsgase noch standhält, wobei für die mechanische Stabilität, insbesondere der Erschütterungsfestigkeit des Bauteils, die Wärmedämmschicht als solche Rechnung trägt.

Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäß Abgaskrümmer als Bindemittel eine eine Keramikmatrix bildende, anorganische Reaktionsmischung verwendet. Wärmedämmschichten aus diesen Reaktionsmischungen lassen sich später problemlos mit dem Hausmüll beseitigen oder sind im Zuge der Herstellung neuer Wärmedämmschichten recyclebar. Durch die Verwendung einer rein anorganischen Rezeptur läßt sich außerdem eine sehr umweltfreundliche Herstellung gewährleisten.

Bevorzugt werden anorganische Reaktionsmischungen verwendet, die kalt aushärtend sind, da für solche Formmassen die Werkzeuge aus Holz oder Kunststoff hergestellt werden können, was die Fertigung von teuren metallenen Gießformen vermeidet. Hierfür geeignete anorganische Reaktionsmischungen sind selbständig aushärtend und lassen bei der Aushärtereaktion allenfalls Temperaturen bis zu 80°C entstehen.

In diesem Sinne besonders geeignete Bindemittelsysteme sind beispielsweise in der DE-40 40 180-A1 beschrieben. Die dort beschriebenen Formmassen - mit oder ohne Schaumbildner - eignen sich zwar nicht als Formmasse für die vorliegende Erfindung, da die so hergestellten Formteile der mechanischen Beanspruchung in einem Kraftfahrzeug nicht standhalten würden, jedoch hat sich überraschenderweise gezeigt, daß diese Formmassen gemäß der DE-40 40 180-A1 gut als Bindemittelsystem für die vorliegende Erfindung geeignet sind.

Eine bevorzugte anorganische Reaktionsmischung enthält Wasserglas, Kalilauge und Ofenfilterstaub aus der Korund-Herstellung. Dieser Staub entsteht, wenn Bauxit in großen Öfen aufgeschmolzen wird, wobei bei Temperaturen von ca. 2000°C aufgrund der entstehenden Thermik feinteiliges Material sowie verdampftes und wieder kondensiertes Material aufgewirbelt wird.

In den Filtern der Absaugung wird dieser Staub dann aufgefangen. Die chemische Zusammensetzung beträgt, je nach eingesetztem Rohstoff (Bauxit) etwa

50-70 Gew.-% Al&sub2;O&sub2;

20-70 Gew.-% SiO&sub2;

sowie Zusätze von TiO2,

Fe&sub2;O3,

CaO,

MgO,

Na&sub2;O,

K&sub2;O

und eventuell weitere Spurenelemente.

Die Korngröße dieses Filterstaubes variiert in großen Bereichen von etwa 0,1 µm bis ca. 200 µm. Über die Zudosierung der Kalilauge läßt sich die Aushärtezeit in weiten Bereichen, beispielsweise zwischen 5 Sekunden und 1 Stunde einstellen. Hierüber ist die Möglichkeit geschaffen, die Aushärtezeit optimal an die bestehenden Fertigungsmöglichkeiten und die damit zusammenhängenden Fertigungszyklen anzupassen.

Als Wasserglas wird vorzugsweise Natron-Wasserglas verwendet, da dieses nicht nur billiger als Kali-Wasserglas ist, sondern darüberhinaus noch den Vorteil bietet, daß die gebildete Keramikmatrix eine höhere mechanische Festigkeit und größere Temperaturbeständigkeit aufweist.

Die selbstaushärtende anorganische Reaktionsmischung, welche ein keramisches Material bildet, wird insbesondere deshalb bevorzugt, weil sie eine Matrix bildet, die eine vergleichbare Festigkeit mit gesinterter Keramik aufweist.

Zur Beschleunigung des Aushärteprozesses der die keramische Matrix bildenden anorganischen Reaktionsmischung kann eine Warmhärtung bei etwa 70 bis 80°C erfolgen. Höhere Temperaturen sind weniger erwünscht, da diese in vielen Fällen die Verwendung von metallenen Formteilen bedingen würde.

An die partikelförmige Komponente aus porenhaltigem Material sind zunächst keine besonderen Anforderungen zu stellen außer der, daß sie eine möglichst geringe thermische Leitfähigkeit und darüberhinaus auch eine möglichst geringe Wärmekapazität aufweist. Insbesondere braucht die partikelförmige Komponente keine besondere mechanische Festigkeit aufzuweisen, insbesondere keine große Druckfestigkeit und auch eine hohe thermische Stabilität wird von der partikelförmigen Komponente nicht verlangt. Im Falle, daß sich bei den im Motorraum herrschenden, hohen Temperaturen, insbesondere durch die durch den Abgaskrümmer hindurchströmenden Abgase aus den Brennräumen, eine Veränderung der partikelförmigen Komponente ergibt, läßt dies im wesentlichen die Funktion der Wärmedämmschicht unberührt, da die die einzelnen Partikel umgebende Matrix aus dem hochtemperaturfesten Bindemittel die Formhaltigkeit der Wärmedämmschicht sicherstellt und außerdem verhindert, daß sich gegebenenfalls bildende Fehlstellen innerhalb der Matrix zu größeren Hohlräumen zusammenschließen, so daß auch im ungünstigsten Fall bei der Zerstörung der partikelförmigen Komponente infolge der Temperatureinwirkung der Brennraumabgase stets eine Struktur der Wärmedämmschicht, in der eine Vielzahl von Hohlräumen, die der thermischen Isolierung dienen, erhalten bleibt.

Bevorzugt jedoch werden partikelförmige, porenhaltige Materialien, insbesondere in granularer Form, die auch den Hochtemperaturbedingungen des Abgaskrümmers standhalten verwendet, wobei hier bevorzugt auf Glashohlkugeln, Blähglas, Vermikulit und/oder Perlit zurückgegriffen wird.

Die Verwendung von Blähglas bzw. geschäumtem Glas anstelle von Glashohlkugeln stellt keinerlei Probleme dar, da die Geschlossenporigkeit der Glashohlkugeln für die partikelförmige porenhaltige Komponente nicht notwendig ist und die Offenporigkeit der Blähglaspartikel angesichts der der normalerweise eingestellten Zähigkeit der Formmasse sich nicht störend auswirkt. Blähglas ist außerdem wesentlich billiger als Glashohlkugeln. Vermikulit- und Perlitpartikel sind wegen ihrer sehr geringen Dichte bevorzugte Materialien, wobei Vermikulit aufgrund seiner Schichtstruktur auch unter dem Gesichtspunkt einer verbesserten akustischen Dämmwirkung als partikelförmige Komponente ausgewählt werden kann.

Neben den Wärmedämmeigenschaften des partikelförmigen, porenförmigen Materials wird als Nebeneffekt die Möglichkeit genutzt, die Formteile mit einer relativ geringen spezifischen Dichte herzustellen, welche bevorzugt < 2 g/cm³, weiter bevorzugt < 1,5 g/cm³ beträgt. Dämmschichten mit solch niedriger spezifischer Dichte können in großem Umfang zur Wärmedämmung nicht nur direkt am Abgaskrümmer, sondern auch in der Fortsetzung der Abgasleitung in der gesamten Abgasanlage eingesetzt werden, ohne daß sie zu Gewichtsproblemen im KFZ-Bau führen.

Für die Verstärkungskomponente stehen ebenfalls eine breite Palette von Verstärkungsmaterialien zur Verfügung, wobei unter faserförmigen Verstärkungskomponenten nicht nur Einzelfasern, sondern auch Faservliese, Fasergewebe, -gewirke oder dergleichen zu verstehen sind. Ebenso sind unter den nadelförmigen Verstärkungskomponenten auch Nadelvliese oder dergleichen zu verstehen.

Bevorzugt wird jedoch die nadel- bzw.- faserförmige Verstärkungskomponente in die Formmasse in Form von Einzelfasern bzw. Einzelnadeln eingemischt, was nicht ausschließt, daß in der Formmasse mehr oder weniger große Zusammenballungen von Einzelfasern und Einzelnadeln vorkommen können. Als besonders geeignet haben sich nadelförmiger Wollastonit, Glasfasern, Mineralfasern, Mineralwolle und/oder Metallfasern erwiesen.

Die Nadeln bzw. Fasern der Verstärkungskomponente sollten vorzugsweise eine Länge im Bereich von ca. 50 bis ca. 200 µm aufweisen. Die Untergrenze von ca. 50 µm ergibt sich dadurch, daß bei deutlich kürzeren Fasern keine Verstärkungswirkung in ausreichendem Umfang erzielt wird, während bei Fasern mit einer deutlich größeren Länge als 200 µm das Mischen der Formmasse problematisch wird und ein Brechen der langen Fasern bei der Herstellung der Formmasse zu befürchten ist.

Eine Ausnahme bilden hier Glas- und Metallfasern, die bis zu ca. 15 mm lang sein können.

Neben den zuvor beschriebenen, unabdingbaren Komponenten der Formmasse für die Herstellung des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers kann fakultativ in der Formmasse beispielsweise ein Füllstoff enthalten sein, der entweder zur Eigenschaftsverbesserung der Formteile oder aber einfach zur Verbilligung des Formmassenmaterials verwendet werden kann.

Talkumpulver stellt beispielsweise einen bevorzugten Füllstoff dar, da er aufgrund seiner Plättchenstruktur die Elastizität des ausgehärteten Formmassenmaterials bzw. des Wärmedämmaterials verbessert.

Glimmer kommt ebenfalls als Füllstoff in Frage und wird wegen seiner großen Hitzebeständigkeit geschätzt.

Einen besonders billigen Füllstoff bildet Kalk, welcher insbesondere als Ersatzstoff zum Strecken der Formmasse Verwendung findet.

Als Füllstoffe für neu herzustellende Formteile bzw. Wärmedämmschichten eignet sich jedoch auch ausgehärtetes und zerkleinertes Wärmedämmaterial selbst. Auf diese Weise können ausgebrauchte Wärmedämmschichten vollständig wiederverwendet werden und müssen nicht mit dem Hausmüll entsorgt werden.

Bei den Füllstoffen wird vorzugsweise darauf geachtet, daß die Größe der Füllstoffpartikel von ca. 0 bis ca. 100 µm, bei einer möglichst breiten Korngrößenverteilung reicht. Dies bedeutet, daß eine sehr enge Verteilung innerhalb des Bereichs bis 200 µm Korngröße vorzugsweise vermieden wird.

Die Formmasse kann ferner anorganische Pigmente enthalten, insbesondere in Form von Metalloxiden, wie z. B. Eisenoxide, Chromoxide etc.

Die Viskosität der Formmasse wird unabhängig von der Art des verwendeten Bindemittels, vorzugsweise auf eine Viskosität von ≤ 150 Pas eingestellt. Dies erlaubt nicht nur eine gute Verarbeitung der Formmasse, sondern erlaubt auch ein schonendes Untermischen der faserförmigen oder nadelförmigen Verstärkungsmaterialien bzw. ein entsprechend einfaches Tränken und/oder Beschichten der verwendeten Faser- und/oder Nadelvliese.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Abgaskrümmer liegen insbesondere darin, daß sie keine tragende Struktur im Inneren aus Blechteilen benötigen und über leicht herzustellende Formen in nahezu beliebiger Ausgestaltung herstellbar sind.

Die Wärmekapazität der erfindungsgemäßen Auspuffkrümmer ist extrem gering und sichert so ein schnelles Anspringen des Katalysators. Durch die hervorragende Isolationswirkung der Wärmedämmschichten wird eine geringe Wärmeabgabe an den Motorraum erzielt. Darüberhinaus beeindruckt das geringe Gewicht der erfindungsgemäßen Abgaskrümmer sowie der günstige Herstellungspreis.

Darüber hinaus läßt sich eine besonders glatte Oberfläche bei den Bauteilen erzielen und so eine Aufwertung des optischen Erscheinungsbildes des Bauteils erreichen. Dies ist von besonderer Bedeutung bei der derzeitigen Tendenz der Automobilhersteller, eine ansprechende Gestaltung des Motorraums anzustreben.

Darüber hinaus ist es auch einfach möglich, die Oberfläche des Abgaskrümmers akustisch günstig zu gestalten, z. B. durch eine Waffel- oder Wabenstruktur.

Aufgrund der hohen Stabilität der Wärmedämmschicht widersteht diese allen üblichen Einwirkungen, die im Motorraum normalerweise vorkommen, so daß ein Extra-Gehäuse zum Kapseln des Abgaskrümmers entfallen kann.

Insbesondere die Verwendung von Korund-Ofenfilterstaub erlaubt in Verbindung mit einer im einzelnen noch zu beschreibenden Rezeptur eine so schnelle Aushärtung, daß Großserienfertigungen möglich werden (beispielsweise 160 000 Teile pro Form und Jahr und mehr).

Das die Innenseite des Krümmers bildende Rohr, insbesondere Verzweigungsrohr, ist bevorzugt ein Metallblechteil, insbesondere ein Stahlblechteil.

Alternativ kann das Rohr auch als ein Keramikbauteil ausgebildet sein.

Die Wandstärke des Rohres, insbesondere des Verzweigungsrohres beträgt bevorzugt ≤ 2 mm d. h. die Wandstärke des Rohres ist so weit reduziert, als dies im Hinblick auf die geforderte Standfestigkeit gegenüber den Abgasen, die aus den Brennräumen des Verbrennungsmotors austreten, vertretbar ist.

Die Stabilität des Abgaskrümmers wird hierbei im wesentlichen von der Wärmedämmschicht sichergestellt, während das die Innenseite des Krümmers bildende Rohr die Wärmedämmschicht vor chemischen und direkten thermischen Belastungen des aus dem Verbrennungsmotor kommenden Abgases schützt.

Die Wärmedämmschicht wird vorzugsweise so aufgebaut, daß die faserförmige Komponente als hochtemperaturfeste Fasermatte mit einem Porenvolumen verwendet wird, wobei das Porenvolumen der Fasermatte teilweise mit der aushärtbaren Formmasse gefüllt ist.

Bevorzugt wird hierbei die Fasermatte lediglich an ihren außen liegenden Schichten, vorzugsweise mit einer Schichtdicke < 2 mm getränkt. Die Dicke der Fasermatte selbst liegt üblicherweise im Bereich zwischen ca. 5 und ca. 20 mm, bevorzugt im Bereich von 6 bis 15 mm, typischerweise bei ca. 10 mm.

Bei der Verwendung von Fasermatten mit einem Porenvolumen wird die Korngröße der partikelförmigen Komponente so gewählt, daß ein Eindringen dieser Partikel in die Oberflächenschichten der Fasermatte möglich ist. Dies erlaubt ein vollständiges Eindringen der aushärtbaren Formmatten in die Oberflächenschichten, ohne daß eine Trennung von Bindemittel und partikelförmiger Komponente auftritt.

Alternativ zu der Verwendung der Fasermatten kann vorgesehen sein, daß die Formmasse die Verstärkungsfasern oder -nadeln im wesentlichen vereinzelt verteilt enthält und aufgeschäumt ist. Unter vereinzelten und verteilten Verstärkungsfaser werden auch solche Faserkomponenten verstanden, welche geringfügig agglomeriert, nicht jedoch zu einem Vlies verbunden, vorliegen.

Die Wärmedämmschicht kann mehrteilig ausgebildet sein und ist dann vorzugsweise von dem die Innenseite des Krümmers bildenden Rohr abnehmbar ausgestaltet. Damit lassen sich im Reparaturfall die Wärmedämmschichten von dem die Innenseite bildenden Rohr abnehmen, dieses austauschen und erneut mit den Wärmedämmschichtteilen bestücken.

Hierbei können die Teile der Wärmedämmschicht vorgeformt sein. Alternativ ist auch eine Ausbildung der Teile der Wärmedämmschicht am die Innenseite des Krümmers bildenden Rohr selbst möglich.

Alternativ kann vorgesehen sein, daß die Wärmedämmschicht auf das Verzweigungsrohr aufgeformt ist und mit diesem quasi eine Einheit bildet.

Die Erfindung betrifft des weiteren eine Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, welche einen Abgaskrümmer der zuvor beschriebenen Art umfaßt.

Bei dieser Abgasanlage sind vorzugsweise weitere Rohrlängen mit einer Wärmedämmschicht ummantelt, wie sie der Wärmedämmschicht entspricht, die für den oben angegebenen Abgaskrümmer beschrieben wurde.

Bei der oben beschriebenen Fasermatte wird vorzugsweise eine Matte verwendet, deren Porenvolumen ca. 95 Volumenprozent des Gesamtvolumens der Fasermatte ausmacht. Das Tränken der Fasermatte wird vorzugsweise so vorgenommen, daß die außen liegende Schicht der Fasermatte zu 100% getränkt wird, d. h. das Porenvolumen auf Null reduziert wird, während der innen liegende Bereich der Fasermatte nur zu ca. 30% seines Porenvolumens gefüllt wird. Die Dicke der 100% gefüllten Schicht beträgt ca. 10 bis 20% der Gesamtdicke der Fasermatte.

Bevorzugte Fasermatten weisen einen Durchmesser der gezogenen Fasern von ca. 6 bis ca. 8 µm auf, so daß die Fasern nicht lungengängig sind. Die Fasermatten sind vorzugsweise frei von Keramikfasern und darüberhinaus bindemittelfrei. Die Matten sollten eine besonders gute Vernadelung in Richtung der Mattendicke aufweisen. Eine gute Zugfestigkeit der Fasermatte muß in alle Richtungen gegeben sein.

Darüber hinaus sollen sich die Matten leicht an das Verzweigungsrohr des Abgaskrümmers räumlich anpassen lassen und sollen neben einer guten Temperaturbeständigkeit auch vibrationsbeständig sein. Wichtig im Hinblick auf die Verwendung mit Wasserglasbindemitteln ist, daß bei den Matten eine wasserabweisende Imprägnierung vermieden werden muß.

Im folgenden sei noch eine beispielhafte Rezeptur einer Formmasse für die Herstellung von Abgaskrümmern mit den oben beschriebenen Wärmedämmschichten genannt:

1 Teil SiO&sub2; als Bezugsgrundlage

1,4 bis 2,7 Teile H&sub2;O

0,25 bis 0,5 Teile Na&sub2;O

12 bis 20 Teile Korund-Ofenfilterstaub, welche insgesamt das Bindemittel bilden.

Dazu kommen 2 bis 8 Teile Verstärkungsfasern sowie 0,5 Teile Glashohlkugeln.

Wichtig ist, daß das Bindemittel zusammen mit der Verstärkungskomponente eine ausreichend feste und schnell aushärtende Matrix bildet, die den zum Teil heftigen Erschütterungen, die in Kraftfahrzeugen beim üblichen Betrieb auftreten, standhalten.

Das partikelförmige porenhaltige Material dient hauptsächlich der Verbesserung der Wärmedämmung, und es kann in vielen Fällen bereits ausreichend sein, wenn das partikelförmige, porenhaltige Material während der Verfestigung und Aushärtung der Formmasse Hohlräume in der Matrix bildet und freihält, während das Schicksal des partikelförmigen, porenförmigen Materials beim Einsatz der Wärmedämmschicht als Außenschicht des Abgaskrümmers im KFZ während der Betriebsdauer von geringerer Bedeutung ist, aufgrund der Matrix, die für die Wärmedämmung notwendigen Hohlräume auch erhalten bleiben, wenn das partikelförmige, porenhaltige Material im Laufe der Zeit verändert oder gar aus den Formteilen ausbrennen wird.

In die Wärmedämmschicht können Befestigungsmittel eingeformt oder eingebettet enthalten sein, die der Befestigung des Abgaskrümmers am Motor bzw. der Verbindung des Abgaskrümmers mit den restlichen Teilen der Abgasanlage dienen. Solche Befestigungsteile können insbesondere Metallteile mit eingearbeitetem Gewinde oder mit einstückig angeformten Flanschen sein.

Anhand der Zeichnung wird jetzt die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgaskrümmers; und

Fig. 2 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäß aufgebaute Wärmedämmschicht des Abgaskrümmers von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehenen Abgaskrümmer, welcher ein Verzweigungs- oder Sammelrohr 12 sowie vier Anschlußrohre 14 bis 17 umfaßt. Mit den Anschlußrohren 14 bis 17 läßt sich der Abgaskrümmer 10 direkt mit dem hierzu passenden Verbrennungsmotorblock bzw. dessen Abgasauslässen verbinden.

Die in Fig. 1 enthaltene Darstellung des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers ist eine rein schematische Darstellung zur Erläuterung der Erfindung, und insbesondere die Dicken der einzelnen Bauteilelemente sind lediglich aus Darstellungszwecken gewählt. Insbesondere wird bei dem erfindungsgemäßen Abgaskrümmer die Wandstärke des Sammelrohrs 12 und der Anschlußrohre 14 bis 17 sehr klein gewählt, um die Wärmekapazität dieser Rohre möglichst gering zu halten. Das Material, aus dem diese Rohre üblicherweise hergestellt sind, ist normalerweise Stahlblech, das sich in einem Verformungsschritt in die gewünschte Gestalt bringen läßt.

Der erfindungsgemäße Abgaskrümmer umfaßt ferner eine Wärmedämmschicht 18, welche um das Sammelrohr 12 sowie um die Anschlußrohre 14 bis 17 herum gelegt ist.

Im Fall der Ausführungsform, die in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt der Abgaskrümmer 10 zwei Halbschalen 20 und 21, welche um das Sammel- und die Anschlußrohre herumgelegt die Wärmedämmschicht 18 bilden.

Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, daß im Reparaturfall die Wärmedämmschicht 18, hier in Form der Halbschalen 20 und 21, von dem Sammelrohr bzw. den Anschlußrohren abgenommen werden kann und so beim Austausch des Sammelrohrs wiederverwendbar ist.

Wie zuvor erwähnt, sind insbesondere die Dickenverhältnisse der Wärmedämmschicht 18 und die Schichtdicke der Sammel- und Anschlußrohre nicht maßstäblich gezeichnet, sondern sind lediglich aus Gründen der darstellerischen Einfachheit halber gewählt.

Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch den Aufbau der Wärmedämmschicht 18, welche bei dieser Ausführungsform aus einer Fasermatte 22 die temperaturbeständig bis ca. 800 bis 1000°C ist und im wesentlichen aus Mineralwolle oder Silikatwolle besteht, aufgebaut, welche kurzzeitig in eine sehr dünnflüssige Rezeptur für die Formmasse getaucht wurde.

Alternativ könnte das Bindemittel in einer dickflüssigeren Rezeptur ein- oder beidseitig aufgebracht werden.

Die so erzeugte nasse Fasermatte 22 wurde mit Hilfe einer Form in eine gewünschte Kontur gepreßt, d. h. hier um das metallische Sammelrohr 12 mit den Anschlußrohren 14 bis 17 herumgelegt. Da die Matte aufgrund der Tränkung mit der Formmasse sehr flexibel ist, reichen hierfür einfachste Formen und geringste Drücke aus. Das keramische Bindemittel härtet bei Umgebungstemperaturen in wenigen Minuten aus, das Formteil kann entlang der Trennlinie getrennt und dann der Form entnommen werden.

Bei der in der Fig. 2 gezeigten Wärmedämmschicht wurde über den Schichtquerschnitt ein Formmassengradient erzeugt, d. h. die Anteile der Formmasse an der Gesamtmasse der Dämmschicht sind an den Oberflächenbereichen 24 und 25 der Dämmschicht 18 größer als im mittleren Bereich 26. Diese Verteilung der Formmasse über den Wärmedämmschicht-Querschnitt ermöglicht nicht nur die Einsparung einer Formmasse bei der Herstellung der Wärmedämmschicht, sondern verbessert zum einen die thermischen Isolationseigenschaften und erstaunlicherweise auch die akustischen Dämmeigenschaften und ergibt natürlich insgesamt ein geringeres Gewicht für den Abgaskrümmer 10.

Darüber hinaus führt das bei sparsamem Einsatz der Formmasse zu einer optisch akzeptablen Oberfläche und zu einer sehr geringen Aufnahme von Wasser und Öl durch den Abgaskrümmer 10.

Bei Bedarf kann die Oberfläche eine Veredelung erfahren, beispielsweise zur Verbesserung der Strahlungsabschirmung oder zur optischen Aufwertung des Abgaskrümmers. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers liegen zunächst darin, daß die Innenseite des Abgaskrümmers sehr dünnwandig ausgestaltet werden kann, wodurch erhebliche Gewichtseinsparungen und insbesondere Einsparungen in der Wärmekapazität des Bauteils möglich werden, ohne daß die Festigkeit des Bauteils insgesamt verringert wird oder auf komplizierte Herstellungsverfahren zurückgegriffen werden muß.

Darüber hinaus ermöglicht die Verringerung der Wärmekapazität des Abgaskrümmers ein bedeutend schnelleres Anfahrens des Katalysators der Abgasanlage und verhindert, daß der Katalysator im Dauerbetrieb des Motors bei niedrigem Verbrauch (z. B. im Leerlauf des Motors) nicht genügend Wärme an den Katalysator liefert. Der Aufbau der Wärmedämmschicht 18, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, läßt sich selbstverständlich auch für weitere Teile der Abgasanlage verwenden, um so zu einer weiteren Einsparung an Wärmekapazität und Wärmeabstrahlung von der Abgasanlage zu kommen.


Anspruch[de]
  1. 1. Abgaskrümmer für eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit einem die Innenseite des Krümmers bildenden Rohrs mit mindestens einem Anschlußstück zur Verbindung mit mindestens einem Brennraum des Verbrennungsmotors und mit einer um das Rohr herum angeordneten Wärmedämmschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht aus einer sehr schnell aushärtbaren Formmasse hergestellt ist, welche ein hochtemperaturfestes Bindemittel, eine partikelförmige Komponente eines porenhaltigen Materials und eine faser- oder nadelförmige Verstärkungskomponente umfaßt, und daß die Wärmedämmschicht als solche die äußere Oberfläche des Abgaskrümmers bildet.
  2. 2. Abgaskrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel eine eine Keramikmatrix bildende anorganische Reaktionsmischung umfaßt.
  3. 3. Abgaskrümmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Reaktionsmischung selbständig aushärtend ist, wobei durch eine exotherme Reaktion Temperaturen bis 80°C entstehen.
  4. 4. Abgaskrümmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Reaktionsmischung Wasserglas, KOH und Ofenfilterstaub der Korund-Herstellung umfaßt.
  5. 5. Abgaskrümmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserglas im wesentlichen aus Natron-Wasserglas besteht.
  6. 6. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die partikelförmige Komponente aus porenhaltigem Material, Glashohlkugeln, Blähglas, Vermikulit und/oder Perlit umfaßt.
  7. 7. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ihre spezifische Dichte < 2 g/cm³, vorzugsweise < 1,5 g/cm³ beträgt.
  8. 8. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungskomponente nadelförmigen Wollastonit, Glasfasern, Mineralfasern, Mineralwolle und/oder Metallfasern umfaßt.
  9. 9. Abgaskrümmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadeln bzw. Fasern der Verstärkungskomponente eine Länge im Bereich von ca. 50 bis ca. 200 µm, im Falle von Glas- und Metallfasern bis ca. 15 mm aufweisen.
  10. 10. Abgaskrümmer nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formmasse ferner einen Füllstoff enthält.
  11. 11. Abgaskrümmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff Talkum, Glimmer, Kalk und/oder recyceltes Wärmedämmaterial in Pulverform umfaßt.
  12. 12. Abgaskrümmer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des Füllstoffs von 0 bis ca. 200 µm bei einer breiten Korngrößenverteilung reicht.
  13. 13. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Formmasse anorganische Pigmente, insbesondere auf der Basis von Metalloxiden, umfaßt.
  14. 14. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität der Formmasse ≤ 150 Pas beträgt.
  15. 15. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht die faser- oder nadelförmige Verstärkungskomponente als eine hochtemperaturfeste Fasermatte umfaßt, welche mit der sehr schnell aushärtbaren Restformmasse getränkt und noch vor dem Aushärten der Formmasse modelliert wurde.
  16. 16. Abgaskrümmer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächennahen Bereiche der Abgaskrümmer einen höheren Formmassenanteil umfassen, als von der Oberfläche entfernt liegende.
  17. 17. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzweigungsrohr ein Metallblechteil ist.
  18. 18. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzweigungsrohr ein Keramikbauteil ist.
  19. 19. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Verzweigungsrohres ≤ 2 mm beträgt.
  20. 20. Abgaskrümmer nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die faserförmige Verstärkungskomponente als eine hochtemperaturfeste Fasermatte mit einem Porenvolumen enthalten ist, wobei das Porenvolumen mindestens teilweise mit der Formmasse gefüllt ist.
  21. 21. Abgaskrümmer nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasermatte lediglich an ihren außenliegenden Schichten, vorzugsweise mit einer Schichtdicke < 2 mm getränkt ist.
  22. 22. Abgaskrümmer nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Fasermatte ca. 5 bis ca. 20 mm, bevorzugt 6 bis 15 mm beträgt.
  23. 23. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der partikelförmigen Komponente der Formmasse so gewählt ist, daß ein Eindringen der Partikel in die Oberflächenschichten der Fasermatte möglich ist.
  24. 24. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Formmasse die Verstärkungsfasern oder -nadeln im wesentlichen vereinzelt verteilt enthält und aufgeschäumt ist.
  25. 25. Abgaskrümmer nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht mehrteilig ausgebildet ist und von dem Verzweigungsrohr abnehmbar ist.
  26. 26. Abgaskrümmer nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Wärmedämmschicht vorgeformt sind.
  27. 27. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht auf das Verzweigungsrohr aufgeformt ist.
  28. 28. Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen Abgaskrümmer nach einem der voranstehenden Ansprüche.
  29. 29. Abgasanlage nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß, daß sie weitere Rohrleitungen mit einer Wärmedämmschicht ummantelt enthält, welche im Aufbau der Wärmedämmschicht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 27 entspricht.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com