DE2549256A1 - Waermeisolierte anordnung zur durchleitung von unter hohen temperaturen stehenden gasen - Google Patents

Waermeisolierte anordnung zur durchleitung von unter hohen temperaturen stehenden gasen

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Description

VOLKSWAGEHWEfiK
Aktiengesellschaft
3180 Wolfsburg
Unsere Zeichen: K 2059
1702-pt-we-hr
r & Ii 75
Wärmeisolierte Anordnung zur Durchleitung von unter hohen Temperaturen stehenden Gasen
Die Erfindung bezieht sich auf eine wärmeisolierte Anordnung zur Durchleitung von unter hohen Temperaturen, stehenden Gasen, insbesondere der Abgase von Brennkraftmaschinen, mit einem aus einem keramischen Material bestehenden, wenigstens einen Strömungskanal aufweisenden Kern und einem direkt um den Kern gegossenen Metallmantel.
Derartige Anordnungen sind beispielsweise für Abgasleitungen von Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, bereits bekannt (US-PS 3 568 723 und 3 799 772). Durch diesen Aufbau mit einem inneren, keramischen Kern und einem äußeren, direkt um den Kern gegossenen Metallmantel wird eine günstige Wärmeisolierung der durch die Abgasleitung strömenden Abgase erreicht, so daß das Temperaturniveau in der Abgasleitung auf einer solchen Höhe gehalten werden kann, die für eine Nachverbrennung der im Zylinder nicht vollständig verbrannten Abgas-Bestandteile günstigste Voraussetzungen bietet. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß im Gegensatz
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'3.
zu einer äußeren Wärmeisolierung der metallische fiohrleitungsmantel nur geringen Temperaturen ausgesetzt ist und infolge dessen auch für den Zylinderkopf, an dem die Bohrleitung.unmittelbar angeflanscht ist, keine ausätzlichen thermischen Belastungen, etwa durch Wärmeleitung, auf treten. Da zuxtLera der metallische Rohrleitungsmantel durch Umgießen des keramischen Kerns hergestellt wird, ergibt sich ein fester Verbund zwischen dem Kern und dem Mantel, der auch bei Berücksichtigung der im Betrieb auftretenden Wärmedehnungen erhalten bleibt.
!Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist nun darin zu sehen, ein geeignetes Material für den keramischen Kern dieser Anordnung bereitzustellen, das den gestellten Anforderungen gerecht wird» Neben chemischer Beständigkeit gegenüber den in dem Abgas enthaltenen Komponenten und einer Festigkeit, die genügend groß sein muß, um den Druck des erstarrenden Gießmetalls auszuhalten, soll das für den Kern verwendete keramische Material insbesondere eine gute thermische Beständigkeit und überragende Thermoschockfestigkeit aufweisen. Beim Betrieb einer derartigen Abgasanlage können nämlich Spitzentemperaturen bis ssu etwa 1.400° C und Dauertemperaturen bis zu 1.000° C auftreten, denen ohne Beschädigung standgehalten werden muß. Zum .anderen darf das Kernmaterial auch bei den besonders bei instationären Betriebszuständen und während des Gießens auftretenden Temperaturdifferenzen von erheblicher Größe nicht reißen oder sonst Schaden nehmen.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß der keramische Kern zumindest teilweise aus einem Silikatfasermaterial besteht. Es hat sich nämlich gezeigt, daß ein solches, wenigstens teilweise aus Silikatfasern bestehendes keramisches Material eine besonders hohe Thermoschockbeständigkeit aufweist und sich dadurch, wie Versuche gezeigt haben, besonders gut für die Verwendung als keramischer Kern für derartige wärmeisolierte Abgaeanlagen eignet. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der keramische Kern
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aus einem bei Temperaturen von 1.200 - 1.550° C gesinterten Gemisch aus 30 - 60 VoI.^ Aluminiumoxyd (Al2 0,)-£ulver und 70 - 40 Vol.56 Tonerde-Silikat-Fasern besteht. Von Vorteil iates dabei, wena dem Gemisch aus Alurninixunoxyd-Pulver und Tonerde-Silikat-Fasern ein Anteil von 5-20 Gew.$ Zirkonsilikat zugefügt ist. Weiterhin können, um eine besonders günstige Nachverbrennungswirkung zu erzielen, dem Gemisch auch katalytisch wirksame Zusätze zugefügt sein. Diese Zusätze, die beispielsweise aus Edelmetallen, seltenen Erden oder auch aus sonstigen bekannten katalytischen Stoffen, wie einigen Nichtedelmetallen bzw. Hichtedelmetalloxyden, bestehen, verursachen eine Verstärkung der thermischen Umwandlungsreaktion im Abgas und erhöhen damit die Effektivität der Nachverbrennungseinrichtung.
Der keramische Kern kann bei Bedarf auf seinen den Strömungskanal bildenden Innenflächen auch eine erosionsfeste Schicht aufweisen, die insbesondere dann erforderlich ist, wenn der Anteil Silikat-Fasern in dem keramischen Material hoch ist. Auch diese Schicht kann katalytisch wirksame Zusätze enthalten, um so einen günstigen Einfluß auf die Nachverbrennung der unverbrannten Abgasbestandteile zu nehmen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird, im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellungsweise einen Längsschnitt durch ein zweistutziges Abgassammeirohr, das auf einer Seite eines Vierzylinder-Boxermotors an den Zylinderkopf angeflanscht ist. Dabei ist mit 1 der Zylinderkopf und mit 2 das Abgassammelrohr bezeichnet, das zwei am Zylinderkopf angeflanschte Abgaseintrittsstutzen 3 und 4 aufweist, die zu einem gemeinsamen Abgasrohr 5 zusammenlaufen. Wie aus der Zeichnung weiter hervorgeht, weist das Abgassammeirohr 2 einen inneren, als Hohlkörper ausgeführten keramischen Kern auf, um den der äußere metallische Mantel 7 herumgegossen ist.
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Bei des umgießen dient der keramische Hohlkörper 6 als GIeB-kern, auf den der GuSmantel beim Erstarren der Metallschmelze aufschrumpft, wodurch sich eine dauerhafte Terbindung zwischen dea metallischen Mantel und dem keramiaehön Sera ergibt. Dia dabei auftretende Vorspannung muß so groß sein, daß selbst bei den höchsten im Betrieb auftretenden Wandtemperaturen ein Aufheben dieser Verbindung durch unterschiedliche Wärmedehnung nicht auftreten kann.
Sie Wandstärke des keramischen Sohlkerns sollte zwischen 4 12 mm und vorzugsweise zwischen 5 unä. 8 mm liegen, um eine optimale Isolierwirkung und damit günstige Toraussetzungen für eine wirkungsvolle Nachverbrennung der ία den Abgasen enthaltenen unverbrannten Schadstoffe zu erzielen.
Der keramische Kern soll gemäß der Erfindung zumindest teilweise aus einem Silikat-Faser-Katerial bestehen,und zwar vorzugsweise aus einem Gemisch von 30 - 60 Vol.36 A"himf.ninraoxTd (Al2O-)-Pulver und ?0 - 40 ToI.j£ Tonerde-Silikat-Fasern, das bei. Temperatures im Bereich von 1.200 - 1.550° C gesintert ist. Ss hat sich gezeigt, daß ein derartiges keramisches Material überragende Thermoschockeigenschaften aufweist und sich besonders gut für den keramischen Kern eines solchen mit einem metallischen Mantel im Omgußverfahren hergestellten Abgassammeirohr eignet. Dabei können diesem Gemisch aus AIuminiumoiyd-Pulver und Sionerde-SOikat-Pasern noch Zusätze von beispielsweise 5-20 Gew.j£ Zirkonsilikat und sonstige stabilisierende Zusätze wie z. B. Chromoxyd, Manganoxyd und Kupferoxyd beigemischt werden. Auch ist es möglich, diesem Gemisch katalytisch, wirksame Zusätze wie beispielsweise Edelmetalle oder seltene Erden zuzufügen» Anstelle dieser relativ teuren katalytischen Zusätze können auch Zugaben von nicht edlen Katalysatoren, beispielsweise ein bis 10 Gew.^ eines oder mehrerer Elemente der Gruppe Titan, Vanadium, Shrom, Mangan, Eisen, Kobald, Nickel oder Kupfer, eines oder mehrerer Oxyde oder andere^Verbindungen dieser Elemente, vorgenommen werden.
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Znsgesamt sollten diese Zugaben nicht mehr als 10 Gew-^> bezogen auf das Gesamtgewicht aus Aluminiumozydpulver vmä. Tonerde-Silikat-Fasern ausmachen.
Beispiel t: Zur Herstellung eines etwa gemäS der ausgebildeten Abgas3ammelrohres werden 50 YoI.^ Ai oxydpulver und 50 Vol.36 Tonerde-Silikat-Fasern in eine» wässrigen Silikatbinder unter Zugabe von 0,5 Gew.^ oxyd (Cr„O,) vermischt. Diese Masse wird über einerdem Abgas at römungskanal entsprechenden Wachaforia geformt und -van. außen mit Formpressen, die ebenfalls aus Wachs bestehen, kalibriert. Der so entstandene Formkörper wird zwaa.dh.st, he± etwa 40 - 50° G ein bis zwei Tage und anschließend bei I5O0 C ca. 1 bis 2 Stunden getrocknet, um schließlich bei Temperaturen von I.55O0 C 10 Stunden lang gebrannt zu werden« Dieser keramische Kern kann jätzt als Gießkern für das Umgießen, des metallischen Gußmantels verwendet werden, wobei ein sogenannte a Vachsaus schmelzverfahren verwendet wird. Dazu wird auf den keramischen Kern ein Wachsmodell modelliert, wobei Kernma-i-ken zur exakteren Halterung und Fixierung des keramischen Kerns mit eingeformt werden. Auf den äußeren Mantel dieses Wachsmodells wird eine hydraulisch oder chemischkeramisch abbindende Schicht aus einem AT •»""•ni""?'" "*·**·»■*— Zement mit einem Zirkon-Silikatzusatz aufgebracht, die nach dem Ausschmelzen des Wachsmodells die äußere Kontur des metallischen Rohrmantels festlegt. Diese Gießform wird, jetzt in einem Formkasten in grobe Gießmassen, z.B. in Gießsand, eingelegt, worauf nach Anbringung von Gießtrichtem xwä. 'dergleichen das Gießen ,vorzugsweise mit einer Grauguß- oder Aluminiumschmelze ,vorgenommen wird.
Ein solches mit einem äußeren Grauguß-Metallmantel versehenes
.d.h.bei Beaufschlagung mit heiSem Abgas Abgasrohr hat im Betrieb/ohne wesentliche BescüäcLiguiigert Stunden Tollast ausgehalten, wobei Innentemperaturen von mehr
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-ν
als 900° C> nämlich im Bereich von 950 - 1.000° C und Außentemperaturen an der Gußwand von nur I30 - 270° C auftraten.
Beispiel 2: 30 Yol.fa Aluminiumoxyd (Al0O,)-Pulver und 70 YoI.$ Tonerde-Silikat-Fasern werdenmit 5 Gew.$6 Zirkonsilikat und 5 Gew.% Chromoxyd (Cr0O2) mit einem wässrigen Silikatbinder gemischt, wobei die Gewichtsprozentangaben der Zusätze auf das Gewicht des Aluminiumpulvers und der Silikatfasern bezogen sind* Aus dieser Masse werden zwei in Längsrichtung geteilte Halbschalen geformt, die in ihren Abmessungen dem keramischen Kern dee Abgasrohres entsprechen. Diese Formkörper werden zunächst getrocknet, wobei sie ca. 1-2 Tage bei 40 bis 50° C und anschließend ca. 1-2 Stunden bei I500 C gehalten werden, und schließlich bei 1.350° C über 10 Stunden gebrannt. Die später von dem Abgas beaufschlagte Innenfläche der Halbschalen wird vor dem Brennen mit einem wässrigen Schlicker aus sehr feinkörnigem Aluminiumoxyd (AlpO,)-Pulver dessen Korngröße 3 - 10/u beträgt und dem 5 Gew.$ Chromoxyd (CrpO,) zugemischt sind, zwecks Erhöhung der Erosionsfestigkeit der Innenkontur bestrichen. Nach dem Brennen werden diese beiden Halbschalen mit einem Silikatzement zusammengeklebt und anschließend in einem oben bereits beschriebenen Wachsausschmelzverfahren mit einem geeigneten Metall, insbesondere Aluminium oder Grauguß,umgössen.
Bei den beiden Beispielen wurde ein Wachsausschmelzverfahren verwendet, um ein Arbeiten ohne Toleranzfestlegung zu ermöglichen. In einer Serienproduktion würde dagegen zweckmäßigerweise ein Sandguß- oder Maskenverfahren (z.B. Croning-Verfahren) zur Anwendung kommen.
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Claims (6)

  1. AHSPifGHE
    ΐ. ) Wärmeisolierte Anordnung zur Durchleitung von unter ^y hohen Temperaturen stehenden Gasen, insbesondere der Abgase von Brennkraftmaschinen, · mit einem aus einem keramischen Material bestehenden, wenigstens einen Strömungskanal aufweisenden Kern und einem direkt um den Kern gegossenen Metallmantel,
    dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Kern zu-' mindest teilweise aus einem Silikatfasermaterial besteht.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Kern aus einem bei Temperaturen von 1.200 - 1.550° C gesinterten Gemisch aus 30 - 60 YoI. # Aluminiumoxyd (Al2O5)-Pulver und 70 - 40 YoI.$ Xonerde-Silikat-Fasern besteht.
  3. 3· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemisch aus Aluminiumoxyd-Pulver und ÜJonerde-Silikat-Fasera 5-20 Gew.$ Zirkonsilikat zugefügt ist.
  4. 4* Anordnung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemisch katalytisch wirksame Zusätze zugefügt sind.
  5. 5« Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4* dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Kern auf seinen den Strömungskanal bildenden Innenflächen eine erosionsfeste Schicht aufweist.
  6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Kern auf seinen den Strömungskanal bildenden Innenflächen eine katalytisch wirksame Schicht aufweist.
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