DE3720714C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmedämmsystem für heiße Gase führende, doppelwandige Leitungselemente von Brennkraftmaschinen, mit einer Innenwand aus einem hochwarmfestem Metall sowie einer darauf angeordneten Schicht aus einem Wärmedämmaterial, auf die ein die Außenwand bildendes Gußbauteil gegossen ist.

Es ist im Stand der Technik üblich, Bauteile an Brennkraftmaschinen, die heiße Gase führen, wie beispielsweise die Abgase der Brennkraftmaschine zumindest teilweise als Gußbauteile herzustellen und beispielsweise am Motorblock der Brennkraftmaschine zu befestigen. So ist es beispielsweise üblich, die Abgase der einzelnen Zylinder mit gegossenen Abgaskrümmern zusammen und gemeinsam an den angeschlossenen Auspuffkanal weiterzuführen. Diese Abgaskrümmer werden in einer Gußform mit den entsprechenden Anschlußstutzen für die Einleitung der Abgase sowie mit dem Auslaßstutzen zum Anschließen des Auspuffskanals gegossen und dann an der Brennkraftmaschine so angebracht, daß die Anschlußstutzen für die Einleitung der Abgase der einzelnen Zylinder mit entsprechenden, in den jeweiligen Zylinderköpfen ausgebildeten Auspuffkanälen fluchten.

Es ist darüber hinaus auch bekannt, die einzelnen Auslaß-/Einlaßkanäle, die in den Zylinderköpfen ausgebildet sind, mit isolierenden Innenauskleidungen zu versehen. Diese Innenauskleidungen sollen eine übermäßige Aufheizung der durch den Zylinderkopf fließenden Kühlmittel und damit einer Überhitzung des Zylinderkopfes vorbeugen, sie sollen darüber hinaus aber auch die Emission von Schadstoffen in die Atmosphäre dadurch verhindern, daß die Auspuffgase hinter den Auslaßventilen auf hoher Temperatur gehalten werden. Wenn die Temperatur der Auspuffgase möglichst hoch gehalten wird, arbeiten die in dem Auspuffsystem im allgemeinen angeordneten nachgeschalteten Aggregate, deren Aufgabe die Herabsetzung der schädlichen Abgasebestandteile ist, mit größerem Wirkungsgrad. Dadurch kann nicht nur der Anteil der schädlichen Abgase gesenkt, sondern auch Kraftstoff gespart werden.

Um eine optimale Einbettung der Innenauskleidung in den Auspuffkanälen des Zylinderkopfes zu erhalten, waren einerseits rohrförmige Einsatzstücke bekannt, die nach dem Gießen des Zylinderkopfes in die verbleibenden Auspuffkanäle eingeschoben worden sind. Dies ist jedoch nur bei relativ einfachem Verlauf der Auspuffkanäle möglich. Bei komplizierterem oder gekrümmtem Verlauf der Auspuffkanäle war es auch bekannt, solche Einsatzstücke geeignet in der Gußform eines Zylinderkopfes anzuordnen und dann den Zylinderkopf um diese Einsatzstücke herum zu gießen. Ein Beispiel einer solchen Technik ist in der DE-OS 36 07 911 beschrieben.

Für die Dämmung von Abgaskrümmern, die also die Auspuffkanäle der einzelnen Zylinder außerhalb der Zylinderköpfe fortsetzen und einer gemeinsamen Auspuffleitung zuführen, waren bisher zur Wärmedämmung Ummantelungen bekannt, in die die Krümmer nach ihrer Herstellung im Guß eingebettet worden sind. Die Befestigung solcher Ummantelungen, beispielsweise gegenüber dem Zylinderkopf ist jedoch relativ umständlich und darüber hinaus ist die wärmedämmende Wirkung bekannter Ummantelungen begrenzt.

Aus der DE-PS 28 48 110 war bereits ein Wärmedämmeinsatz für eine Auspuffleitung für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, bei dem in einer doppelwandigen Stahlhülse, die an ihren stirnseitigen Rändern miteinander verschweißt sind, eine Schicht aus einem Wärmedämmaterial eingelagert ist. Derartige Liner bilden gewisse Probleme beim Eingießen, da flüchtige Bestandteile des Wärmedämmaterials nicht entgasen können, sie bieten aber auch gewisse Schwierigkeiten nach dem eigentlichen Guß in bezug auf Wärmedehnungen.

Aus der DE-OS 29 36 556 war auch bereits ein Wärmedämmsystem für Abgasleitungen bekannt, bei denen ein innenliegendes aus zusammensteckbaren Rohrteilen bestehendes Rohrsystem hergestellt wird, um das herum sodann jeweils aus zwei Halbschalen bestende Rohrelemente aus vergossenem bzw. gepreßtem Wärmedämmaterial derart angeordnet werden, daß ein Luftringraum zwischen den Innenrohrteilen und dem Wärmedämmaterial verbleibt. Zumeist wird vor dem eigentlichen Guß des Bauteils auf die Außenseite des Wärmedämmaterials noch eine Ummantelung aus einem hochwarmfesten Metall aufgebracht. Statt dieser Ummantelung kann auf die Außenseite der vorgeformten Wärmedämmelemente auch eine Umwicklung aus einem Fasermaterial aufgebracht werden, auf das sodann unmittelbar der Guß aufgebracht wird. Die bei diesem bekannten Wärmedämmsystem verwandten einzelnen Rohrstücke können sich zwar in gewissem Grade gegeneinander ausdehnen, jedoch wird hierbei nachteilig in Kauf genommen, daß keine gasdichte Verbindung erhalten wird. Dies kann mit der Zeit zu einer nachteiligen Beeinflussung des Wärmedämmaterials durch die Abgase zur Folge haben, die durch das Abgassystem geleitet werden.

Dieselben Nachteile stellen sich bei der aus der deutschen Patentschrift 6 95 459 bekannten wärmegedämmten Rohrleitung ein.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Wärmedämmsystem für heiße Gase führende doppelwandige Leitungselemente von Brennkraftmaschinen anzugeben, bei der einerseits eine gasdichte Abschirmung des Wärmedämmaterials von den heißen Gasen erreicht wird, bei dem aber andererseits auch keine Nachteile infolge von Wärmedehnungen auftreten.

Dies wird erfindungsgemäß bei einem Wärmedämmsystem eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, daß die Innenwand Spannungs- und Dehnungsausgleichselemente aufweist, die mit der Innenwand verschweißt sind, und daß das Wärmedämmaterial, welches die Spannungs- und Dehnungsausgleichselemente umgibt, in Form eines in Rasterform versteppten, keramischen Faservlieses vorgesehen ist.

Wie sich überraschend gezeigt hat, können verhältnismäßig große Wäremausdehnungen ohne Schaden auch bei einem System abgefangen werden, bei dem das Wärmedämmaterial von den heißen Gasen abgeschirmt ist, wenn die auf der Innenseite liegende Schicht mit Spannungs- und Dehnungsausgleichselementen versehen ist und über diesen Elementen ein Wärmedämmaterial angeordnet ist, das in besonderer Form gestaltet ist. In diesem Falle kann das Gußbauteil in einfacher Weise auch dadurch hergestellt werden, daß der Guß unmittelbar auf dem Wärmedämmaterial ausgeführt wird. Es lassen sich damit beispielsweise Abgaskrümmer für Motoren jeglicher Größe und Bauart herstellen. Die extrem gute Wärmedämmung wird durch die Verwendung eines keramische Hochtemperaturfasern umfassenden Dämmstoffkorpus, der die dann miteinander verbundenen Rohrelemente insgesamt ummantelt, erreicht. Als Wärmedämmaterial kann ein Dämmstoffkorpus aus keramischen Hochtemperaturfasern des Systems Al₂O₃-SiO₂ verwendet werden. Das Faservlies kann aus einem Al₂O₃-SiO₂-Vlies bestehen. Durch die Versteppung wird eine gewisse Elastizität des Dämmkorpus erreicht.

Ein solcher Dämmstoffkorpus kann an komplizierteste Formen der Gasführungsbauteile angepaßt werden und dient beim Umgießen als Kern, der nach dem Gießvorgang im Gußbauteil verbleibt.

Ein solcher keramischer Dämmkorpus verhindert weitgehend die Wärmeübertragung an die gegossenen und damit wassergekühlten Zylinderkopfwände und an das Kühlwasser.

Ein Dämmkorpus unter Verwendung von keramischen Hochtemperaturfasern bietet gegenüber herkömmlichen Dämmmaterialien, die aus Oxidkeramik bestehen, nicht nur den Vorteil, daß sie sich gegenüber solchen Oxidkeramikteilen in beliebiger Form und mit beliebigem Querschnitt herstellen lassen, sondern führen auch zu einer höheren Reduktion des Kühlaufwandes bei Brennkraftmaschinen, zu einer geringeren Wärmekapazität, zu einem geringeren Wärmedurchgang, zu einer höheren thermischen Stabilität, zu einer besseren Geräuschreduktion, zu einer höheren Abgasschadstoffsenkung, zu einer höheren Wirksamkeit bei Turbo-Kompressaufladung, zu einem höheren Temperaturniveau für Abgasreinigungssysteme, zu einem einfacheren Handling beim Eingießen, zu einem problemloseren Eingießen auch in Gußeisen und schließlich auch zu einer höheren mechanischen Festigkeit bzw. Haltbarkeit.

Diese Vorteile werden auch bei einer alternativen Ausführungsform dann erreicht, wenn der Dämmstoffkorpus aus einer Mischung von mikroporösem Siliziumdioxid, keramischen Fasern und Trübmitteln geformt ist. Ein solches Material ist unter der Bezeichnung ′Minileit′ bekannt und bedient sich zur Wärmedämmung des Prinzips der Mikroporösität, wobei die Wärmeleitung auf das niedrigste theoretisch mögliche Maß reduziert wird. Die beim Wärmedurchgang durch Dämmstoffe stattfindenden Vorgänge, wie Wärmeleitung, Gaskonvektion, ultrarote Wärmestrahlung und molekulare Wärmeleitung durch Gase werden bei einem solchen Dämmkorpus auf dem Prinzip der Mikroporösität allesamt auf das niedrigst mögliche Maß reduziert. Die Wärmeleitung über Festkörper wird durch die Benutzung von Stoffen mit äußerst niedriger Wärmeleitfähigkeit minimiert, die derart konstruiert sind, daß sie auf dem Weg der Wärmeleitung einen niedrigen Feststoffquerschnitt aufweisen. Die gasförmige Konvektion wird minimiert, indem die Hohlraumzellen ausreichend klein gehalten werden, so daß Konvektionsströme nicht entstehen können. Hierzu wird ein äußerst feines Pulver aus amorphem Siliziumdioxid eingesetzt, das geeignet geformt und verfestigt wird, so daß eine extrem kleine Hohlraumgröße entsteht. Diese Hohlraumgröße ist kleiner als die durchschnittliche freie Weglänge der Luftmoleküle.

Zur Herabsetzung der Ultrarotstrahlung verwendet der beschriebene Dämmkorpus Minileit als Trübmittel Hochtemperaturmetalloxide einer besonderen Teilchengröße und Verteilung.

Die Wärmeleitung wird schließlich ebenfalls dadurch herabgesetzt, daß man den Abstand der Zellwände in diesem Material kleiner als die mittlere freie Weglänge eines Luftmoleküls, d.h. weniger als 0,1 µm unter Normalbedingungen verwirklicht.

Ein weiterer Vorteil eines Dämmstoffkorpus, der keramische Hochtemperaturfasern umfaßt, liegt darin, daß die Möglichkeit geschaffen wird, statt dem bisher üblichen Grauguß, der bisher bei heißen Gase führenden Bauteilen verwendet werden mußte, nun auch, wie das schon bei Motoren üblich ist, Aluminium als Gußmaterial einzusetzen. Bei Motoren mit sehr hohen Abgastemperaturen, z.B. bei Hochleistungsmotoren, mußte man darüber hinaus bisher ein höher legiertes Gußmaterial für die die heiße Gase führenden Bauteile verwenden. Durch die Wärmedämmung mit einem keramische Hochtemperaturfasern umfassenden Dämmstoffkorpus kann nun auch für diese Zwecke einfacherer Grauguß oder auch ein Aluminiumguß eingesetzt werden.

Solche Spannungs- und Dehnungsausgleichselemente können als Metallbälge verwirklicht sein.

Die die Innenwand bildende Rohrelemente zu denen auch die Spannungs- und Dehnungsausgleichselemente gehören, können von im Tiefziehverfahren hergestellten Metallteilen aus hochwarmfesten Edelstählen hergestellt werden. Als Edelstahl kommt beispielsweise ein Inconel-Stahl, ein Nimonic-Stahl und ähnliche Edelstähle in Frage.

Vor dem Umgießen der miteinander verbundenen und mit einem Dämpfstoffkorpus ummantelten Rohrelemente muß das so gebildete Bauteil zur Entgasung getempert werden. Der nachfolgende Gießvorgang läßt sich an sich unmittelbar um das Dämmmaterial herum dann besser durchführen, wenn der Dämmstoffkorpus keine weitere Außenhaut aufweist. Der Dämmstoffkorpus kann dann besser entgasen und es entstehen keine Schwierigkeiten mit dem Gasen während des Gusses. Allerdings kann es dabei zu Schrumpfungen des Dämmstoffkorpus und damit zu Formveränderungen kommen, was nur dann in Kauf genommen werden kann, wenn es auf die Maßhaltigkeit des ummantelten Rohrelements im dann fertig gegossenen Bauteil nicht ankommt, d.h., wenn große Maßtoleranzen zulässig sind. Wenn jedoch eine hohe Maßhaltigkeit gefordert ist, ist es von Vorteil, den Dämmkorpus mit einer Außenhaut zu ummanteln. Die Außenhaut kann ebenfalls aus einem Inconel-Stahl bestehen. Es kann aber auch vorgesehen sein, als Außenhaut ein sogen. Keramikfaser-Coating, aus beispielsweise einem kolloidalen SiO₂ mit einer Keramikfasermatrix einzusetzen. Ein solches Coating hat eine klebende Eigenschaft und besitzt darüber hinaus den Vorteil, daß keine zusätzliche Stahlaußenhaut vorgesehen werden muß. Die Masse für ein solches Keramikfaser-Coating ist im Gegensatz zu bekannten Kitten und Mörteln relativ leicht und ist bezüglich des Dehnungs­ und Schwingungsverhaltens optimal auf die Faserwerkstoffe des Dämmstoffkorpus abgestimmt. Dieses Coating kann auf den Dämmstoffkorpus einfach aufgespritzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

Fig. 1 zeigt die Gesamtansicht der aus einzelnen Rohrelementen zusammengesetzten Innenauskleidung für einen Abgaskrümmer, der jedoch noch nicht umgossen ist,

Fig. 2 zeigt eine Ansicht in Pfeilrichtung II der Fig. 1 auf den Abgaskrümmer mit Guß und eingebetteter Innenauskleidung,

Fig. 3 zeigt einen Abgaskrümmer mit zusammengeschweißten Rohrelementen und mit einem Metallbalg zum Dehnungsausgleich.

In Fig. 1 ist das Wärmedämmungssystem am Beispiel eines Abgaskrümmers, im folgenden als Sammelleitungsrohr bezeichnet, dargestellt. Das Wärmedämmungssystem bildet eine Innenauskleidung, die im Ganzen mit 1 bezeichnet ist. Diese Innenauskleidung wird, wie noch weiter unten erläutert werden wird, nach dem Verschweißen der einzelnen Elemente zur Herstellung des fertigen Sammelleitungsrohres umgossen. Der Gußmantel ist in Fig. 1 nicht dargestellt, jedoch in Fig. 2 zu erkennen.

Wie zu sehen ist, ist die dargestellte Innenauskleidung für einen Auspuffkrümmer einer Sechszylinderbrennkraftmaschine geeignet. Die Innenauskleidung besteht aus sechs Rohrelementen 2 bis 7. Jedes Rohrelement weist einen Anschlußstutzen 2 a bis 7 a auf. Diese Anschlußstutzen 2 a bis 7 a fluchten mit nicht dargestellten Auspuffkanälen in den jeweiligen Zylinderköpfen der Brennkraftmaschine.

Das Rohrelement 2 ist mit einem Auslaßstutzen 2 b versehen, an dem eine Auspuffleitung zum Weiterleiten der gesammelten Abgase angeschlossen werden kann.

Die Rohrelemente bilden an den mit S bezeichneten Linien Stoßstellen, an denen sie steckbar miteinander verschweißt sind. Nach dem Verschweißen wird die dann fertiggestellte Innenauskleidung in eine Gußform gelegt und es wird dann der äußere Gußmantel des Sammelleitungsrohres erzeugt. Die Rohrelemente dienen bei diesem Gießvorgang als Kern in der Gußform. Nach dem Umgießen liegen die Rohrelemente fest eingebettet in der Gußform, wie das die Fig. 2 in der Ansicht II der Fig. 1 zeigt. Dort ist der Gußmantel mit dem Bezugszeichen 8 versehen und weist geeignete Anschlüsse, beispielsweise Bohrungen 9 auf, um die weiteren Anschlüsse herstellen zu können.

Der Aufbau der einzelnen Rohrelemente ist aus Fig. 2 zu ersehen. Die Innenwand 10 der Rohrelemente bzw. Innenauskleidung 1 besteht aus einem Inconelstahl 600, beispielsweise mit einer Dicke von 0,45 mm. Auf der nicht der Abgasführungsseite zugewandten Fläche der Innenwand 10 ist ein Dämmstoffkorpus 11 in Form eines Keramikfaser-Materials aufgebracht. Dieses Material umgibt die Innenwand 10 vollständig, d.h., also auch im Verlauf der einzelnen Anschlußstutzen.

Die von diesem Dämmstoffkorpus 11 gebildete Wärmedämmschicht kann mit einer nicht dargestellten Außenhaut aus einem Keramikfaser-Coatingmaterial überzogen sein.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Ausschnitt aus einem heißgasführenden Bauteil gezeigt, das mit dem erfindungsgemäßen Wärmedämmsystem ausgestattet ist.

Das Bauteil ist wiederum nur in Ausschnitten gezeigt, wobei drei miteinander verbundene Rohrelemente 2′, 3′ und 4′ zu sehen sind.

Die Rohrelemente 2′ und 3′ sind an ihrer Stoßstelle S miteinander im Bereich ihrer Innenwand 10 verschweißt.

Diese Innenwand wird wiederum von einem hochwarmfesten Edelstahl gebildet. Zwischen den Rohrelementen 3′ und 4′ ist zum Dehnungs- und Spannungsausgleich ein Metallbalg 30 angeordnet, der an seinen Enden mit den entsprechenden Enden der Rohrelemente 3′, 4′ verschweißt ist. Die Innenwand 10 ist wiederum mit einem Dämmkorpus 11 der beschriebenen Art ummantelt. Im Bereich des Metallbalgs 30 besteht die Ummantelung 11′ aus einem keramischen Faservlies, das mit Steppnähten 31 rasterförmig versteppt ist. Durch die Ausgestaltung des Dämmkorpus als Faservlies 11′ im Bereich des Metallbalgs 30 wird eine elastische Dämmung in diesem Bereich erzielt, d.h., das Vlies 11′ kann die Dehnungen des Metallbalgs mit ausführen, ohne daß es zu Undichtigkeiten kommt.

Die vom Dämmkorpus 11 und dem Vlies 11′ gebildete Wärmedämmschicht wird vorzugsweise mit einem Außenmantel 21 umgeben. Dieser Außenmantel kann aus einem Keramikfaser-Coatingmaterial bestehen. Dieses Material gewährleistet die Maßhaltigkeit nach dem Gießvorgang und läßt aber dennoch Gase durch, so daß beim Tempern des Bauteils vor dem Gießen eine ausreichende Entgasung stattfinden kann.

Das gesamte Bauteil, das wie erwähnt in Fig. 3 nur ausschnittsweise und vereinfacht dargestellt ist, wird dann mit dem Guß 8 versehen.

Auf diese Weise wird ein Wärmedämmsystem geschaffen, das extrem gute wärmeisolierende Eigenschaften hat. Es ist klar, daß sich mit einem solchen Wärmedämmsystem die unterschiedlichst geformten Rohrelemente miteinander verbinden lassen, so daß man Leitungsrohre für Heißgase beliebiger Form und beliebiger Länge erzeugen kann.

Die Erfindung ist auch auf ein einzelnes Rohrelement gerichtet, das einen Schichtaufbau hat, wie er aus der Fig. 3 entnehmbar ist. Solche Rohrelemente lassen sich nicht nur in Abgaskrümmern bzw. Sammelleitungsrohren für Abgase von Brennkraftmaschinen einsetzen, sondern auch in allen heiße Gase führenden Bauteilen, wie Aus/Einlaßkanälen, Kolbenmulden, Vorkammern und Wirbelkammern von Brennkraftmaschinen, wobei diese Rohrelemente dann beim Gießen der entsprechenden Bauteile in die Gußformen eingelegt und dann umgossen werden.

Claims (6)

1. Wärmedämmsystem für heiße Gase führende, doppelwandige Leitungselemente von Brennkraftmaschinen, mit einer Innenwand aus einem hochwarmfestem Metall sowie einer darauf angeordneten Schicht aus einem Wärmedämmaterial, auf die ein die Außenwand bildendes Gußbauteil gegossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (10) Spannungs- und Dehnungsausgleichselemente (30) aufweist, die mit der Innenwand verschweißt sind, und daß das Wärmedämmaterial (11), welches die Spannungs- und Dehnungsausgleichselemente umgibt, in Form eines in Rasterform versteppten, keramischen Faservlieses (11′) vorgesehen ist.

2. Wärmedämmsystem nach Anspruch 1, wobei das Wärmedämmsystem rohrförmige Durchlässe begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungs- und Dehnungsausgleichselemente Metallbälge (30) vorgesehen sind.

3. Wärmedämmsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmedämmaterial aus keramischen Hochtemperaturfasern des Systems Al₂O₃/SiO₂ besteht.

4. Wärmedämmsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmedämmaterial (11) aus einer Mischung von mikroporösem Siliziumdioxid, keramischen Fasern und Trübmittel geformt ist.

5. Wärmedämmsystem nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (10) im Tiefziehverfahren hergestellte Metallteile aus hochwarmfesten Edelstählen wie Inconel, Nimonik umfaßt.

6. Wärmedämmsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Schicht aus Wärmedämmaterial (21) eine Fasermasse (Keramikfaser-Coating) aufgetragen ist.