Projekt 17089/01

Entwicklung von strukturierten KFZ-Abgasanlagenelementen mit verbesserten Gebrauchs- und Umweltparametern

Projektträger

Steremat Elektrowärme GmbH
Otto-Lilienthal-Str. 4
15566 Schöneiche
Telefon: 030/533271-10

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Durch den Einsatz von beulstrukturierten Elementen sollen Bereiche der klassischen Abgasanlage substituiert und in bezug auf ihre schall-, festigkeits- und strömungstechnischen Eigenschaften optimiert werden. Es werden deutliche Verbesserungen bei der Verminderung von Emissionen in Form von Lärm und Stickoxyden beim Einsatz von beulstrukturierten Elementen in KFZ - Abgasanlagen oder stationäre Abgasanlagen erwartet. Wesentliches Entwicklungsziel ist die Nutzung der schalldämpfenden und strömungstechnischen Wirkung von Beulstrukturrohren im Bereich zwischen Motor und Katalysator.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenPrototyping spezieller Strukturen
In enger Zusammenarbeit mit dem Kooperationspartner, der TFH Wildau, werden erste Strukturen durch die Beulstrukturierungstechnik hergestellt, wobei vorliegende Erkenntnisse aus vorangegangenen Projekten bezüglich der Länge bzw. Tiefe der Beulstrukturen und deren physikalischen Wirksamkeit in die Definition von Vorzugsstrukturen einfließen.
Untersuchung der Eigenschaften beulstrukturierter Elemente
An verschiedenen Modellen und Prototypen werden akustische, strömungs-, wärmeübergangs-, und festigkeitstechnische Untersuchungen durchgeführt.
Strukturoptimierung durch genetische Algorithmen
Durch Variation der Parameter wird die Optimierung der Beulstruktur bezüglich der festigkeitstechnischen, strömungstechnischen und akustischen Eigenschaften und Effekte verwirklicht.
Untersuchung der Fertigungstechnik
Integraler Projektbestandteil ist die Nutzung des Doppel-D-Rohres mittels Beulstrukturierung als Herstellungstechnologie für beschriebene Produkt. Dazu müssen produktionstechnische Versuche, Voruntersuchungen und Parameterbestimmungen für die Konstruktion der Zangenvorrichtung, wie zur Vorbereitung, Herstellung und Verarbeitung des Doppel-D-Rohres durchgeführt werden.
Erprobung und Optimierungen der Technik bezüglich ihrer Serienfertigung.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Vorhabens ist es beispielhaft gelungen, Strukturrohrtechnologie von einer prinzipiell formulierten Idee bis hin zur Ausführungsreife umzusetzen. Der zunächst pauschal formulierte Anspruch, eine neue Kfz-Abgasanlage zu entwickeln, ist partiell aufgegeben worden, da sich parallel zur technischen Entwicklung zeigte, dass dies gemessen an den Anforderungen und Ansprüchen des Marktes in diesem Bereich kein vernünftiges Ziel ist. Trotzdem ist eine variantenreiche Prototypenserie entstanden, die multifunktional einsetzbar ist, d. h. nicht nur im Kfz-Bereich, sondern in vielen anderen Bereichen der Motorentechnik Einsatzmöglichkeiten bietet. Die wesentlichen Elemente dieses Prototyps sind
- der Sammelbereich hinter den Krümmern,
- der Anströmbereich vor dem Katalysator,
- der Abströmbereich hinter dem Katalysator und
- der Schalldämpfer selbst.
Die Funktion der Strukturen ist mit unterschiedlichem Schwerpunkt auf die einzelnen Wirkbereiche auf Festigkeit (vor allem Schwingung), Strömungsgleichrichtung, Wärmeübertragung und Schallreflektion ausgerichtet.
Die Variantenbreite möglicher Anwendungen mit jeweils spezifischen Anforderungen an die Strukturrohre hinsichtlich eingesetzter Rohrhalbzeuge, Strukturierungsparameter wie Abstand, Tiefe und Versatz der Nebenformen und der Abstimmung von strukturierten zu unstrukturierten Bereichen auf der Rohroberfläche, hat zur Entwicklung einer äußerst variablen teilautomatisierten Strukturierungsanlage geführt. Innerhalb kurzer Rüstzeiten kann die Anlage zwischen den einzelnen zu strukturierenden Rohrchargen umgestellt werden. Der Strukturierungsprozess kann mit maximal 0,4m/min durchgeführt werden.
Der ursprüngliche Ansatz, über eine Formoptimierung Schall breit wirkend auszulöschen, wurde nicht erreicht. Es hat sich allerdings gezeigt, dass die Strukturen zur Auslöschung (besser Reflektion) von hochfrequentem Schall sehr wirksam sind. Auf breite Schallspektren kann nur durch Absorber über große Oberflächen oder über Resonatoren, d. h. über große Volumina Einfluss genommen werden. Hierzu wurden eigene Tests gefahren, die auf eine Kombinationsmöglichkeit dieser Schallminderungstechnik mit der reflektorischen mittels nebenformstrukturierter Rohre hinweisen.
Die Materialeinsparung bei der Verwendung von nebenformstrukturierten Rohrleitungen kann erheblich sein, da die Festigkeitseigenschaften des Grundmaterials positiv verändert werden. Die Rohrmasse kann bis zu etwa 50% verringert werden. In Kombination mit der Verbesserung von Strömungseigenschaften ist diesem Effekt der Hauptvorteil dieser Entwicklung zuzuordnen. Der nebenformbedingte Schalleffekt kann allerdings in speziellen Bereichen von großer Bedeutung sein: Bei Turbomaschinen und in der Krad-Technik. Die Rohrmassenreduzierung ist auch in anderen Bereichen von Kraftfahrzeugen hinsichtlich Umweltrelevanz bedeutend, da Rohre den zweitgrößten Halbzeuganteil in Kraftfahrzeugen ausmachen. Die Stahlwerkstoff-Einsparung bei Strukturrohrelementen liegt etwa 3 Größenordnungen über dem Werkstoffaufwand für die Strukturierungsanlage. Im Fall einer Anwendung im Kfz-Bereich übersteigt die Energieeinsparung durch Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bedingt durch das redu-zierte Gewicht den Energieaufwand für die Umformung der Rohre um das 1 - 3-fache.
Vorteile der strukturierten Abgasanlage:
- Materialeinsparung durch höhere Festigkeit, dadurch geringere Wandstärke
- Materialeinsparung durch Verkleinerung bzw. Substituierung eines konventionellen Dämpfers
- Wärmespannungen können durch Strukturen in axialer Richtung kompensiert werden
- Gezielte Einflussnahme auf den Klang der Anlage (Schallkomposition)
- Bessere Wärmeübertragungseigenschaften, Steuerung der Temperaturzonen
- Kürzere Erwärmungszeiten, Katalysatorfunktion spricht schneller an
- Günstigere Strömung im strukturierten Rohr, Katalysator wird effektiver angeströmt, bzw. kann mit geringeren Volumen ausgeführt werden


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Präsentation bei verschiedenen KfZ-Herstellern sowie Zulieferern
Präsentation auf internationalen Fachmessen (Intermot 2002, Hannover-Messe 2003)


Fazit

Die Untersuchungen der Strukturrohre hinsichtlich Ihrer Eigenschaften (Festigkeit, Wärmeübertragung, Strömung, Schall) ermöglicht eine differenziertere Bewertungsmöglichkeit für deren Einsatzbereiche. Diese Differenzierung zeigt, dass nur in einzelnen Abschnitten von Abgasanlagen sowie der Motorentechnik partielle Substitutionen von Glattrohren durch Strukturrohre sinnvoll sind. Die Strukturrohre können für ein bekanntes Anforderungsprofil spezifiziert werden. Durch die flexible Herstelltechnik können Prototypen kurzfristig hergestellt und anschließend getestet werden.

Übersicht

Fördersumme

296.549,29 €

Förderzeitraum

05.06.2000 - 05.06.2002

Bundesland

Grenzüberschreitend

Schlagwörter

Grenzüberschreitend
Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik