CN102128073A - 管状体和排气*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一用于一内燃机，特别是汽车的内燃机的排气***的处理废气的管状体(1)，其中管状体(1)在其面对所述废气的内侧(5)和/或背离废气的外侧（06）设置有一由基于纳米颗粒的复合陶瓷组成的涂层(7，8)。

Description

管状体和排气***
技术领域
本发明涉及一用于特别是一汽车的内燃机的排气***的处理废气的管状体。本发明还涉及一具有至少一个这样管状体的排气***。
技术背景
在一排气***内，由于各种原因需要实现对外部或内部的隔热。其中之一是需要保护所述排气***免于所述排气***中运送的废气的高温。为此，所述排气***至少在特定区域能与外部隔热。另一方面，需要将所述排气***中运送的废气维持在高温水平，例如为了能够尽快地达到适合某些废气处理装置的预定工作温度或再生温度，或为了能够保持某一特定的工作温度以在内燃机的工作状态，期间通过所述废气排出相对少的热量。为此，所述排气***至少在特定区域与外部隔热。例如，一氧化催化转换器，如一SCR催化转换器或一NOx存储催化转换器，其需要一预定工作温度以便能够进行期望的足够有效的废气清洁功能。此外，例如一颗粒过滤器为了能够实现一再生过程需要一特定的再生温度。
例如为了能够在一排气***内使一管状体隔热，原则上可以双壁的方式设计所述管状体，以便于在其壁之内实现一空气间隙隔绝。这样双壁设计的缺陷是一方面需要相对大量的空间且另一方面增加了部件的重量。如果试图在所述管状体的外部应用一绝缘层，有可能出现其它的问题，即所述排气***容易受到高温波动的影响，以致相应的管状体和相应的涂层之间的热膨胀系数即使出现小的偏差也使得这些涂层的耐久性更加糟糕。
发明内容
本发明用在开头处提到类型的管状体或用装备有这些管状体的排气***的一改进实施例解决了上述问题，其更优选的特征在于需求空间小和重量轻。此外，可实现相对好的耐久性。
根据本发明，该问题通过独立权利要求的主题得以解决。优选实施例为从属权利要求的主题。
本发明以用一基于纳米颗粒的复合陶瓷涂敷所述管状体为总体思想。特别地，这样的涂层能以一隔热的方式配置。例如，至少在一预定温度范围内其辐射率可能<0.5。在这方面可提供仅在一面对所述废气的内侧上具有基于纳米颗粒的复合陶瓷的涂层的管状体。因此，从所述废气传递至所述管状体的辐射热能以适当的辐射率被有效地缩小。可选择地，可仅提供在一背离所述废气的外侧上具有基于纳米颗粒的复合陶瓷涂层的管状体。因此，从管状体至环境的热传递，也就是说特别是热辐射，能被有效地减小。此外同样可能在管状体的内侧和外侧上都配备基于纳米颗粒的复合陶瓷涂层，以便一方面减少从废气至管状体的热传递，且另一方面减少从管状体至环境的热传递。
一复合陶瓷通常由各种陶瓷材料组分构成，例如其通过一烧结过程相互连接。为此，单独的陶瓷材料可能以颗粒形式存在，其聚集在一起然后形成复合陶瓷。同样可能将陶瓷颗粒加入一陶瓷基体内。具有基于纳米颗粒的复合陶瓷的颗粒被用来生产粒径在纳米范围内的复合陶瓷。这里，一位数至三位数的纳米值是可能的。
基于纳米颗粒生产的复合陶瓷可以根据选择的不同参数和使用的纳米颗粒的成分来特别设置。例如可以设定一用于涂层的热膨胀系数，热膨胀系数与管状体的热膨胀系数大小几乎相等。因此，对于管状体或排气***的整个热工作范围，可实现涂层和管状体之间特别加强和持久稳定的连接。此外，热辐射系数，所谓的辐射率，可被相对准确的设定。因此，特别可以显著减少对外部的热辐射。这样涂层的另外特别的优点是将相对薄的涂层施加在管状体上就可以达到预期的隔热效果。因此，这样的涂层几乎不需要任何的空间且另外不会额外导致管状体在重量上任何显著的增加。
例如，相应的涂层可被设计为在红外线范围内达到大约0.2的辐射率。与此相比，一无涂层的金属体具有一大约0.9的辐射率。换句话说，可以通过所述涂层实现热辐射的大幅度削减。
特别有利的是一个实施例，其中相应的涂层的层厚度比管状体的壁厚薄。例如涂层可以在管状体壁厚的1/100到1/10的范围内获得。例如用于一排气***的一管状体的典型的壁厚为1.5mm。相比之下涂层可以是非常薄的，例如涂层厚度在0.015mm到0.15mm之间。因此它几乎不增加所述管状体的壁厚。
如果管状体的外侧和内侧都具有这样的涂层，根据一优选实施例可配置或设计应用到内侧的内涂层至少关于一个参数不同于应用到外侧的外涂层。例如合适的参数为涂层的孔隙率、涂层的表面粗糙度、层厚度、热膨胀系数、热辐射系数、弹性系数、抗拉强度、抗压强度。
另外或可选择的，在管状体的厚度方向和/或纵向方向上和/或管状体的圆周方向上配置相应的涂层，以便使至少一个参数变化。例如，实际来说，可在弯曲管状体上配置外曲面与内曲面不同的相应涂层。
特别有利的是另一实施例，其中相应的涂层具有一温度依赖的热辐射系数。例如，因而管状体可以更好的适用于关于涂层的排气***的一预定工作状态或工作温度范围。
例如，可设计低于第一温度的热辐射系数小于高于第二温度的热辐射系数，第二温度大小等于或高于第一温度。例如，因此可以实现保持一预定的最低温度或工作温度。例如，当管状体的温度低于一预定的限制温度比如600°C，为了保持一随后部件(辐射相关的)例如一SCR催化转换器在其工作温度，需要低的热传递和低的热辐射。另外，一过热保护可通过建议的设计来实现，例如随着大量的热量在废气中产生，例如从一预定的其它限制温度比如700°C驱散尽可能多的热量。例如这可通过辐射率以随着温度的上升而增加的方式变化而获得。
原则上，相应的涂层具有与管状体基本相同的热膨胀系数。这导致特别高的耐久性和整个温度范围内的恒定特性。
一可选择的实施例，其中相应的涂层特别具有一比管状体小的热膨胀系数。对于该实施例，相应的涂层设置有一微结构，以使相应的涂层由许多单独涂层区域组成，每个单独涂层区域以固定的方式连接到管状体，但是其随着管状体的热膨胀可彼此相对的移动。这样的一微结构可通过例如在涂层上的表面凹槽或裂缝来实现。借助于这样的一与涂层不同的热膨胀有关的微结构，可获得至少一个与温度有关的参数。例如，上述凹槽或裂缝是比较小的或在低温下关闭，因此相应的涂层具有一增强的隔热效率。在较高的温度下，单独涂层区域由于管状体的扩张而分开，从而使上述凹槽或裂缝变大。结果是涂层的隔热特性劣化。换句话说，随着温度的增加，隔热特性降低，其增加了热消散并在此程度上也达到了过热保护的效果。
本发明进一步的重要的特征和优点可从从属权利要求、附图和根据附图的相应的附说明中获得。
应该理解的是如上所述和仍然在下文中说明的特征不仅仅以相应的所述组合被运用，而且还以其它组合或独立地运用，其都没有背离本发明的范围。
附图说明
本发明优选的典型实施例在附图中示出且在在下文中更加详细的说明，其中相同的附图标记涉及相同或类似的或功能相同的元件。
图中示意性的示出各种情况：
图1 穿过管状体的横截面,
图2 图1中管状体的纵截面，
图3 另一实施例中如图1的管状体的横截面，
图4 图3中管状体的纵截面，
图5 图3和4中管状体的一部分区域的侧视图。
具体实施例
图1至4中的分别示出了管状体1的横截面和纵截面。管状体1优选形成在此未示出的排气***2的一部分，以使排气***2包含至少一个这样的管状体1。此处排气***2显然还可以包括两个或更多这样的管状体1。
排气***2适合用于排出内燃机的废气，具体地该内燃机可被配置在一汽车内。因此，管状体1同样适合用于处理废气。在图2和4中，用一箭头和标记3表明相应的废气流。
在图1至4的实施例中管状体1被设置为一圆形横截面。显然，原则上也可以设置为其它的横截面。这可以是其它圆形横截面或任何所需的几何形状的横截面。
管状体1具有一壁4，所述壁4的内表面形成管状体1的内侧5，且壁4的外表面形成管状体1的外侧6。内侧5面向废气而外侧6背离废气。
在此示出的实施例中，管状体1在其内侧5承载一涂层7，其在下文中还被标注为内涂层7。此外，管状体1在其外侧6承载一涂层8，涂层8在下文中同样被标注为外涂层8。在管状体1的第一可选择的实施例中，可将这样的一涂层7仅仅应用在所述内侧5上。在管状体1的第二可选择的实施例中，可将这样的一涂层8仅仅应用在所述外侧6上。与现在单独具有内涂层7或外涂层8或者同时具有涂层7、8无关，相应涂层7、8由以纳米颗粒为基础的复合陶瓷组成。换句话说，相应涂层7，8借助于粒径在纳米范围内的陶瓷颗粒产生。在这里，更具体地，将陶瓷颗粒结合到陶瓷基体内以形成复合陶瓷。优选地，这样的复合陶瓷通过烧结法制成。例如，壁4的相应表面被粉末涂敷而所述粉末涂料随后被烧结。然而，原则上其它的制造方法或涂敷法同样也可以，例如喷涂。
优选地，相应的涂层7、8的层具有厚度9或10，其小于管状体1的壁4的壁厚11。在实施例中的层厚度9、10的最大尺寸为壁厚11的一半。然而实际上，所述涂层7、8明显薄于壁4。优选地，壁4至少比相应的涂层7、8厚10倍。实际上，涂层7、8可能被设置为使得它们的层厚度9、10位于管状体1的壁厚11的1/100至1/10的范围内。与此相比，壁厚11通常近似于1mm或在0.5mm至2.5mm的范围内。
在此示出的实施例的范围内，两个侧面5、6被涂敷，根据一优选实施例，内涂层7和外涂层8的设计至少关于一个参数不同。例如，两个涂层7、8的配置或设计可能关于至少一个以下参数不同：涂层7、8的孔隙率、涂层7、8的表面粗糙度、层厚度9、10、热膨胀系数和热辐射系数。因此相应涂层7、8可最好的适应各种要求。例如，内涂层7必须特别适应于侵蚀性废气。它必须能承受高的废气温度且应该产生尽可能低的壁摩擦，以使废气流3在管状体1内获得尽可能低的穿流阻力。与此相比，外涂层8必须能承受排气***2的相对恶劣的环境条件。根据设计，它还需要具有较低气流速度的外涂层8，以使从管状体1至管状体1的外侧的气流的热传递尽可能的顺利。
另外的或可选择的，各种涂层7、8还可能在图1至4中由箭头指示的厚度方向12上配置具有一可变参数的涂层7、8中的一个。另外的或可选择的，相应的涂层7、8可能在由一双箭头指示的管状体1的纵向13上具有至少一个可变参数。另外的或可选择的，相应的涂层7、8可在由一双箭头指示的圆周方向14上具有至少一个可变参数。例如，辐射率，也就是说热辐射系数，比如可以在纵向13上改变。例如，热膨胀系数可能在圆周方向14上改变，例如关于一弯曲的管状体1。在厚度方向12上改变孔隙率同样是可能的。
相应的涂层7、8内在厚度方向12和/或在纵向13和/或在圆周方向14上可变化的参数具体是孔隙率、粗糙度、层厚度、热膨胀系数、热辐射系数，而这些参数的任意组合也是可以的。相应的涂层7、8内在厚度方向12和/或在纵向13和/或圆周方向14上至少一个参数的变化可在这种情况下获得，即不管是否设置两个涂层7、8或仅设置一个内涂层7或仅设置一个外涂层8。
根据另一更优选的实施例，该实施例在至少一个前述实施例的基础上兼容和累积得以实现，涂层7、8中的至少一个具有温度依赖的热辐射系数。换句话说，相应的涂层7、8的热辐射系数随着温度而改变。优选地，低于第一温度T1的热辐射系数小于高于第二温度T2的热辐射系数。在此，第二温度T2可大于第一温度T1：T2>T1。同样地，理论上可能选择两个大小近似相等的温度T1，T2：T1=T2，从而可以实现辐射率的突然改变。例如通过选择第一温度T1为大约600°C和设定第二温度大约700°C来实现。对于热辐射系数，现在可借助于相应的涂层7、8配置管状体1以便达到具有相对低辐射率的大约600°C的温度，其结果是相应的涂层7、8具有一相对高的隔热效果。这可能对于在内燃机的工作阶段保持一预定工作温度是实用的，其中排出的废气仅仅携带走相对较少的热量。作为这样的结果，将会实现一用于一氧化催化转换器或一SCR催化转换器或一NOX存储催化转换器的合适功能。但是，如果内燃机在例如满负载的工作状态下运行，在此期间相对多的热量包含在废气中，某些元件在如此有效的隔热下可能容易变得过热。这与此处提供的建议相对，因为超过第二温度T2的辐射率在设计上显著更高，致使管状体1能向外部释放和特别是辐射非常多的热量。因此，在某种意义上来说，过热保护装置可能借助于与温度相关的隔热操作来实现。通过相应的涂层7、8的相关设计来实现是可能的。
在温度T1，T2之间，辐射率可能发生逐渐变化。辐射率还可能在低于T1和高于T2时逐渐变化，以便特别地在温度和辐射率之间存在一比例关系。
图1和2示出了一实施例，其中相应的涂层7、8实际上具有和管状体1或管状体1的壁4基本相同的热膨胀系数。因此，涂层7、8能一致地同步热膨胀，即壁4的膨胀和收缩没有在壁4和相应的涂层7、8之间发生与热相关的应力。因此，相应的涂层7、8至壁4的连接仅仅承受相对较小的负载，以使管状体1或壁4上的涂层7、8获得相对高的耐久性。
与此对比，图3至5示出了一实施例，其中相应的涂层7、8具有一比管状体1或壁4的材料更小的热膨胀系数。在这样的一实施例中，相应的涂层7、8具有一微观结构15。在图3至5所示的实施例中，涂层7、8都具有这样的微观结构15。显然，原则上这样一个仅包含内涂层7或仅包含外涂层8，然后设置有相应的微观结构15的实施例也是想得到的。同样可以想到的是一实施例，其中内涂层7和外涂层8两者都存在，但是其中两个涂层7、8的仅一个具有一比管状体1小的热膨胀系数，且其配置有微观结构15。
相应的微观结构15特别的特征在于涂层7、8设置有由许多单独涂层区域16组成的微观结构15。单独涂层区域16的每个以固定的方式连接到管状体1或其壁4。但是，它们相对于彼此可随管状体1移动，因为它们能跟随管状体1的热膨胀效应。
相应的微观结构15例如能形成为进入表面的贯穿凹槽17，其中相应的沟槽17在厚度方向12上至少部分地穿过相应的涂层7、8。在所示实施例中，凹槽17不能完全穿过涂层7、8。但是，原则上，这样一个实施例也是可能的，其中所述凹槽17在厚度方向12上完全穿过涂层7、8，以便通过壁4的相应表面5、6然后形成沟槽的底座。替代凹槽17，微观结构15还可以借助于裂缝18形成，其至少部分地，优选完全地，在厚度方向12上穿过相应的涂层7、8。
凹槽17通过切割机械，借助蚀刻技术或借助模板加工而成。例如可如此制备裂缝18，在相应的涂层7、8上施加一相对低的温度，随后加热包括相应的涂层7、8的管状体1。由于相应涂层7、8合适的低的热膨胀系数，经过管状体1的热膨胀可形成裂缝。为了能够以一预定方式形成裂缝18，特别可能的是以一期望的方式刻上涂层7、8，以使裂缝形成然后沿着刻纹出现。特别优选的是这样一实施例，其中微观结构15被设计，以便凹槽17或裂缝18在低于一预定温度时完全或基本完全地关闭。这可以非常容易地通过用于建立裂缝18的上述程序实现。
通过具有微观结构15的相应涂层7、8的构造，可设置与温度有关的涂层7、8的至少一个参数。例如，相应涂层7、8的隔热效果通过微观结构15具有一相关的明确的温度依赖性。在低温下，凹槽17或裂缝18比较小且特别是关闭的，因而相应的涂层7、8就其隔热效果而论具有相对高的效率。随着温度的增加，管状体1比相应的涂层7、8扩张更大的程度，从而在一方面涂层区域16彼此相对移动，而另一方面凹槽17和裂缝18变得较大。因此，相应的涂层7、8的隔热效果减弱。因此，随着温度的增加，管状体1能向环境中传送更多热量，特别是辐射更多热量。借助于这一设计从而也能实现特定的过热保护。
如上所述的各种实施例可根据需要尽可能实用的彼此组合。
例如管状体1可以是一用于将废气供给至一废气处理装置或用于将废气从一废气处理装置中排出的管。管状体1也可以是一废气处理装置内的管。另外，管状体1可以是一壳体或一壳体部分，例如一废气处理装置的一漏斗或一套管。此外，管状体1可以是一废气热交换器或一废气再循环热交换器的一管或一通道。在本发明的范围内还涉及一用于一内燃机，尤其是一汽车的内燃机的排气***2的废气处理装置，其至少包括或包含这样的一管状体1，即特别是一管或一壳体或一壳体部分的形式。另外，本发明还涉及一热交换器，特别用于一内燃机，尤其是一汽车的内燃机的排气***2，其中至少一管由这样的一管状体1形成。

Claims (10)

1.一用于内燃机，特别是汽车的内燃机的排气***的处理废气的管状体(1)，其中所述管状体(1)在其面对废气的内侧和/或其背离废气的外侧设置有一涂层(7，8)，所述涂层(7，8)由一基于纳米颗粒的复合陶瓷组成。
2.根据权利要求1所述的管状体，其特征在于，
相应的涂层(7，8)薄于管状体(1)的壁厚（11），
其中可特别设置，使相应的涂层(7，8)的层厚度(9，10)位于所述管状体(1)的壁厚(11)的1/100到1/10的范围之内。
3.根据权利要求1或2所述的管状体，其特征在于，
两侧(5，6)都被涂覆，
应用于内侧(5)上的内涂层(7) 与应用于外侧(6)上的外涂层(8)设置成至少具有一个不同的参数，
其中可特别设置的是所述涂层(7，8)至少具有一个彼此不同的下述参数：孔隙率、表面粗糙度、层厚度、热膨胀系数、热辐射系数、弹性系数、抗拉强度、抗压强度。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的管状体，其特征在于，
相应的涂层(7，8)在管状体(1)的厚度方向(12)和/或纵向(13)和/或在管状体(1)的圆周方向(14)上包含至少一个可变参数，
其中可特别设置的是相应的涂层(7，8)在相应的方向(12，13，14)上至少关于下述参数之一变化：孔隙率、表面粗糙度、层厚度、热膨胀系数、热辐射系数、弹性系数、抗拉强度、抗压强度。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的管状体，其特征在于，
相应的涂层(7，8)具有一温度依赖性的热辐射系数，
其中更优的设置是，低于第一温度(T1)的热辐射系数小于高于第二温度(T2)的热辐射系数，所述第二温度大小等于或大于第一温度(T1)。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的管状体，其特征在于，
相应的涂层(7，8)具有与管状体(1)相同的热膨胀系数。
7.根据权利要求1至5之一所述的管状体，其特征在于，
相应的涂层(7，8)具有一比管状体(1)小的热膨胀系数，
相应的涂层(7，8)具有一微观结构(15)，以使相应的涂层(15)由许多单独涂层区域(16)组成，所述单独涂层区域(16)的每个以一固定的方式连接到管状体(1)，但是它们可随着所述管状体(1)彼此相对的移动。
8.根据权利要求7所述的管状体，其特征在于，
所述微观结构(15)由在厚度方向(12)上至少部分地穿过相应的涂层(7，8)的裂缝(18)和/或凹槽(17)形成，
其中更优的设置是，所述微观结构(15)被设计为在低于一预定温度时所述裂缝(18)和/或所述凹槽(17)关闭。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的管状体，其特征在于，所述管状体(1)具有至少一个下述元件：
一用于将废气供给至一废气处理装置的管，
一用于从一废气处理装置排出废气的管，
一在废气处理装置内的管，
一壳体或一壳体部分，例如废气处理装置的漏斗或套管，
一热交换器，特别是一废气热交换器或一废气再循环热交换器的管或一通道。
10.一内燃机、特别是一汽车的内燃机的排气***，其具有至少一个如权利要求1至9中的任一项所述的管状体(1)。
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