DE102011088041A1

DE102011088041A1 - Flexibles Leitungselement und Verwendung eines solchen

Info

Publication number: DE102011088041A1
Application number: DE102011088041A
Authority: DE
Inventors: Michael Pluschke
Original assignee: Witzenmann GmbH
Current assignee: Witzenmann GmbH
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2013-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein flexibles Leitungselement für eine bewegliche Verbindung von zwei Rohrteilen einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, welcher mindestens einen flexiblen Hohlkörper zur Durchleitung eines Abgasstroms umfasst. Zumindest die mit dem Abgasstrom in Berührung kommenden Teile des flexiblen Leitungselements bestehen wenigstens teilweise aus einem katalytisch wirksamen Material und/oder sind mit einem katalytisch wirksamen Material beschichtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein flexibles Leitungselement für eine bewegliche Verbindung von zwei Rohrteilen einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verwendung eines solchen flexiblen Leitungselements.
Flexible Leitungselemente der vorliegenden Art umfassen demnach mindestens einen flexiblen Hohlkörper zur Durchleitung eines Abgasstroms. In vielen Anwendungsfällen muss in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mindestens ein flexibles Leitungselement vorgesehen sein, das zwei Rohrteile beweglich verbindet, um hierdurch insbesondere die Bewegungen eines mit dem Verbrennungsmotor starr verbundenen Rohrteils der Abgasanlage nicht in die weiterführenden Teile der Abgasanlage weiterzuleiten; denn diese sind in aller Regel ihrerseits starr befestigt, beispielsweise an der Karosserie eines Kraftfahrzeugs oder an einer Abgasauslassöffnung eines Gebäude bei einem stationären Betrieb eines Verbrennungsmotors.
Solche Relativbewegungen zwischen zwei Rohrteilen einer Abgasanlage, die durch das vorliegende flexible Leitungselement ausgeglichen werden sollen, können durch Wärmeausdehnungsbewegungen oder Lastwechselbewegungen des Motors, oder auch durch Bewegungen einer Fahrzeugkarosserie entstehen. Auch Schwingungsbewegungen des Verbrennungsmotors können durch ein flexibles Leitungselement von den weiterführenden Teilen der Abgasanlage ferngehalten werden.
Um umweltschädliche Stoffe aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zu eliminieren, werden verbreitet Abgasnachbehandlungssysteme, gemeinhin „Katalysator” genannt, in die Abgasanlage eingesetzt. Hierbei wird üblicherweise ausgenutzt, dass der Abgasstrom bei Austritt aus dem Verbrennungsmotor hohe Temperaturen aufweist, so dass umweltschädliche Stoffe unter Ausnutzung dieser hohen Temperaturen mittels chemischer Reaktion unschädlich gemacht werden können. Dementsprechend werden Katalysatoren oft motornah und noch vor dem flexiblen Leitungsteil, mit dem sich die vorliegende Erfindung befasst, angeordnet.
Bei der Abgasnachbehandlung können Stoffe entstehen, die bei hohen Temperaturen gasförmig sind oder fein verteilt im Abgasstrom mitgeführt werden können, während sie sich bei niedrigeren Temperaturen an Wänden und Rohrleitungen absetzen, durch die der Abgasstrom fließt. In besonderem Maße erfolgt dies an strukturierten, also nicht glatten und nicht laminar durchströmten Leitungswänden, wie sie bei flexiblen Leitungselementen die Regel sind.
Beispielsweise ist es bekannt, zur Verringerung von Stickoxidemissionen von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren, SCR-Katalysatoren (Selective Catalytic Reduction-Katalysatoren) zu verwenden. Hierbei wird Harnstoff als Reduktionsmittel für die Stickoxide (NO_X) im SCR-Katalysator in den heißen Abgasstrom eingedüst. Daraus ergibt sich nun das Problem, dass sich im Abgasstrom Harnstoffderivate bilden, die im sich stromabwärts erkaltenden Abgasstrom dazu neigen, sich an den Leitungswänden abzusetzen. Insbesondere ein stromabwärts einer Harnstoffeindüsung angeordnetes flexibles Leitungselement ist insoweit gefährdet, da dessen flexibler Hohlkörper zum einen deutlich kühler ist, als der Abgasstrom beim Eindüsen des Harnstoffs, und zum anderen eine strukturierte, meist gewellte oder gewickelte, sowie oft mehrschichtige Wandung zur Durchleitung des Abgasstroms aufweist. Die Wandstruktur führt zu Verwirbelungen des Abgasstroms entlang der Wandung des flexiblen Hohlkörpers, was ein Ablagern von Harnstoffderivaten zusätzlich begünstigt.
An diesem Beispiel von Harnstoffderivatablagerungen in flexiblen Leitungselementen, die in Abgasanlagen von Dieselmotoren eingesetzt sind, ist die Problemstellung der vorliegenden Erfindung leicht nachvollziehbar: Nach einer gewissen Betriebszeit des Dieselmotors und seiner Abgasanlage bei laufender Abgasnachbehandlung mittels SCR-Katalysator und Harnstoffeindüsung lagern sich Harnstoffderivate mehr und mehr in solchen Mengen im flexiblen Leitungselement ab, dass dessen Beweglichkeit zunehmend beeinträchtigt wird. Dies führt zu Funktionsstörungen und letztlich zum Versagen des flexiblen Leitungselements.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unerwünschte Ablagerungen aus dem Abgasstrom in einem flexiblen Leitungselement der vorliegenden Art zu verhindern oder zumindest zu verringern.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein flexibles Leitungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen flexiblen Leitungselements sind in den Ansprüchen 2 bis 8 niedergelegt; bevorzugte Verwendungen des flexiblen Leitungselements finden sich in den Ansprüchen 9 und 10.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein flexibles Leitungselement der vorliegenden Art also so ausgestaltet, dass zumindest seine mit dem Abgasstrom in Berührung kommenden Teile wenigstens teilweise aus einem katalytisch wirksamen Material bestehen und/oder mit einem katalytisch wirksamen Material beschichtet sind. Dieses katalytisch wirksame Material verhindert die Ablagerung von Bestandteilen des Abgasstroms, die im flexiblen Leitungselement aufgrund von Verwirbelungen und/oder einer Abkühlung des Abgasstroms erfolgen können.
Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen flexiblen Leitungselements ist dessen Einsatz in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, bei der Harnstoff oder eine Harnstofflösung in den Abgasstrom eingebracht wird und/oder die einen SCR-Katalysator enthält. Insbesondere bei dieser bevorzugten Verwendung ist es zweckmäßig, wenn das katalytisch wirksame Material des erfindungsgemäßen flexiblen Leitungselements zur Aufspaltung von Harnstoffderivaten geeignet ist, die aus der Abgasnachbehandlung eines Dieselmotors mit einer Harnstofflösung stammen. Insbesondere wird dieses katalytisch wirksame Material verhindern, dass Harnstoffe und/oder Harnstoffderivate, die durch eine unvollständige Reaktion oder eine Nebenreaktion bei der Katalyse entstanden sind, bei Temperaturen von unterhalb typischerweise 550°C bis 580°C im flexiblen Leitungselement abgelagert werden.
Bevorzugterweise entspricht das katalytisch wirksame Material des flexiblen Leitungselements der katalytischen Beschichtung eines SCR-Katalysators für Abgase eines Dieselmotors. Dieses Material spaltet Harnstoff bzw. Harnstoffderivate katalytisch auf und verhindert die Ablagerung derselben.
Vorzugsweise ist das katalytisch wirksame Material eine Verbindung oder ein Verbindungsgemisch aus der Gruppe der Substanzen Vanadiumoxid (V₂O₅), Wolframoxid (WO₃), Titanoxid (TiO₂), Platin (Pt) und/oder der Zeolithe, wie beispielsweise ZSM-5 (Zeolithe Socony Mobil-5) oder ZSM-11 (Zeolithe Socony Mobil-11). Es hat sich gezeigt, dass besonders die Zeolithe die Eigenschaft besitzen, auch bei geringen Temperaturen eine gute katalytische Wirkung aufzuweisen. Aber auch mit V₂O₅/WO₃/TiO₂-Katalysator wurden gute Ergebnisse erzielt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht oder enthält das katalytisch wirksame Material ein Metall-Zeolith, insbesondere ein Fe-Zeolith und/oder Cu-Zeolith.
In aller Regel werden flexible Leitungselemente für die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors aus Edelstahl gefertigt. Das erfindungsgemäß verwendete katalytisch wirksame Material wird dann als Beschichtung aufgebracht, wobei jedoch die Schwierigkeit besteht, dass katalytisch wirksames Material oft nur eine geringe Haftung an Edelstahloberflächen aufweist.
Die mit dem Abgasstrom des Hohlkörpers in Berührung kommende Lage des Hohlkörpers, unter der katalytisch wirksamen Beschichtung, besteht daher vorzugsweise aus Aluminium oder ist mit Aluminium oder Aluminiumoxid beschichtet. Eine solche Aluminium oder Aluminiumoxidoberfläche weist den Vorteil auf, dass katalytisch wirksames Material, insbesondere die Zeolithe, gut anhaften. Es ist aber auch denkbar, dass die strömungsführenden Bestandteile des flexiblen Leitungselements aus einem aluminiumoxidhaltigen Material, wie beispielsweise Aluminiumoxidkeramiken oder Zeolithen, bestehen.
Zweckmäßigerweise besteht der flexible Hohlkörper des erfindungsgemäßen flexiblen Leitungselements aus einem ringgewellten oder schraubengangförmig gewellten Metallbalg und/oder einem gewickelten Metallschlauch. Ein Metallschlauch kann auch innerhalb eines Metallbalgs, der für die Gasdichtheit des Leitungselements sorgt, angeordnet sein, um den Abgasstrom zu führen, so dass dieser zum einen nicht an den Innenkrempen der Wellungen des Metallbalgs verwirbelt und zum anderen den Balg nicht mit allzu hoher thermischer Belastung beaufschlagen kann. Bei der Kombination eines Metallbalgs mit einem Metallschlauch kann letzterer als Agraffschlauch ausgebildet sein.
Weiter bevorzugt ist das erfindungsgemäße flexible Leitungselement als Entkoppelelement zum Entkoppeln von Schwingungen ausgebildet, d. h. das flexible Leitungselement ist solcherart ausgestaltet, dass Motorschwingungen nicht durch das Leitungselement hindurch in die stromabwärts des flexiblen Leitungselements angeordneten Teile der Abgasanlage weitergeleitet werden können. Diese Entkopplungswirkung für Motorschwingungen verhindert, dass die Motorschwingungen als Körperschall auf großflächige Teile der Abgasanlage und – bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen – über diese auf die Karosserie des Fahrzeugs übertragen und von dort sowohl in den Fahrzeuginnenraum als auch in die Umgebung abgestrahlt werden.
Um Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen entkoppeln zu können, enthält ein Entkoppelelement sowohl im Stand der Technik als auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung üblicherweise einen relativ weichen, ringgewellten oder schraubengangförmig gewellten Metallbalg sowie Elemente, die die Eigenschwingungen des Metallbalgs bedampfen. Diese Bedämpfung verhindert, dass der Metallbalg in Resonanzschwingungen gerät, was bedeuten würde, dass er die entsprechende Schwingungsfrequenz durchleitet. Gedämpft wird der Metallbalg üblicherweise durch Elemente aus gestrickten oder geflochtenen Metalldrähten, wobei diese bisweilen Kontakt mit dem Abgasstrom erhalten. Ein typischer Aufbau eines Entkoppelelements beinhaltet einen Metallbalg und einen innerhalb dessen zur Abgasstromführung vorgesehenen Metallschlauch sowie gegebenenfalls dämpfende Elemente aus Gestricke oder Geflecht, die zum Teil zwischen dem Metallbalg und dem Metallschlauch angeordnet sind. Der Metallschlauch ist dann, wenn das flexible Leitungselement als Entkoppelement für Motorschwingungen geeignet sein soll, mit hoher Beweglichkeit ausgeführt, so dass er weder gas- noch flüssigkeitsdicht ist.
Bei einem solchen flexiblen Leitungselement, das als Entkoppelelement für Motorschwingungen ausgestaltet ist, ist die Gefahr der Beeinträchtigung seiner Funktion bzw. einer Beschädigung durch Ablagerungen von Harnstoffderivaten besonders hoch; mitunter können diese den Metallschlauch unbeweglich machen, durch diesen hindurch in den Zwischenraum zwischen dem Metallschlauch und dem Metallbalg gelangen, diesen Zwischenraum zusetzen und somit auch den Metallbalg in seinen Bewegungen behindern oder sogar beschädigen. In diesem Einsatzgebiet eines flexiblen Leitungselements der vorliegenden Art bietet die Erfindung daher ganz besondere Vorteile.

Claims

Flexibles Leitungselement für eine bewegliche Verbindung von zwei Rohrteilen einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, umfassend mindestens einen flexiblen Hohlkörper zur Durchleitung eines Abgasstroms, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die mit dem Abgasstrom in Berührung kommenden Teile des flexiblen Leitungselements wenigstens teilweise aus einem katalytisch wirksamen Material bestehen und/oder mit einem katalytisch wirksamen Material beschichtet sind.
Flexibles Leitungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Hohlkörper einen ringgewellten oder schraubengangförmig gewellten Metallbalg und/oder Metallschlauch umfasst.
Flexibles Leitungselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytisch wirksame Material eine Verbindung oder ein Verbindungsgemisch aus der Gruppe der Substanzen V₂O₅, WO₃, TiO₂, Pt und/oder der Zeolithe ist.
Flexibles Leitungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytisch wirksame Material ein Fe-Zeolith und/oder Cu-Zeolith ist.
Flexibles Leitungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Abgasstrom in Berührung kommenden Teile des flexiblen Leitungselements, unter einer katalytisch wirksamen Beschichtung, aus Aluminium bestehen oder mit Aluminium oder Aluminiumoxid beschichtet sind.
Flexibles Leitungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytisch wirksame Material des flexiblen Leitungselements zur Aufspaltung von Harnstoffderivaten geeignet ist, die aus der Abgasnachbehandlung eines Dieselmotors mit einer Harnstofflösung stammen.
Flexibles Leitungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytisch wirksame Material des flexiblen Leitungselements der katalytischen Beschichtung eines SCR-Katalysators für Abgase eines Dieselmotors entspricht.
Flexibles Leitungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es als Entkoppelelement zum Entkoppeln von Schwingungen ausgebildet ist.
Verwendung eines flexiblen Leitungselements nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, bei der Harnstoff oder eine Harnstofflösung in den Abgasstrom eingebracht wird.
Verwendung eines flexiblen Leitungselements nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, die einen SCR-Katalysator enthält.