DE102013109446B4

DE102013109446B4 - Abgaskrümmer mit Isolationshülse

Info

Publication number: DE102013109446B4
Application number: DE102013109446.5A
Authority: DE
Inventors: Elmar Grussmann
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2033-08-31
Also published as: US9416719B2; US20150059324A1; CN104420966B; ES2611916T3; EP2843207A1; CN104420966A; DE102013109446A1; EP2843207B1

Abstract

Abgaskrümmer (1) für einen Verbrennungsmotor an einem Kraftfahrzeug, wobei der Abgaskrümmer (1) zweischalig aus einem Außensystem (5) und einem Innensystem (6) ausgebildet ist, wobei zylinderkopfseitig ein Flansch (3) vorgesehen ist, der mit dem Verbrennungsmotor koppelbar ist, wobei eine Isolationshülse (4) vorgesehen ist, die das Innensystem (6) mit dem Flansch (3) koppelt und die das Außensystem (5) mit dem Flansch (3) koppelt, wobei die Isolationshülse (4) eine Öffnung (10) des Flansches (3) vollständig durchgreift, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationshülse (4) über den Flansch (3) überstehend in den Zylinderkopf (Z) des Verbrennungsmotors ragt, wobei die Isolationshülse (4) das Innensystem (6), welches in den Flansch (3) hineinragend als Stutzen ausgebildet ist, mit einem Presssitz (15) umgreift und dass das Außensystem (5) mit einer Stirnseite außenseitig an den Flansch (3) stoßend ausgebildet ist und die Isolationshülse (4) mit einer Innenmantelfläche der Öffnung (10) des Flansches (3) formschlüssig zur Anlage kommend mit einem Presssitz (15) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer für einen Verbrennungsmotor an einem Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus dem Stand der Technik sind Abgaskrümmer bekannt, die an einen Verbrennungsmotor gekoppelt werden um somit das während des Verbrennungsvorganges entstehende Abgas für einen Abgasstrang zu zentralisieren und über diesen dann an die Umgebung abzuführen.
Zur Herstellung eines Abgaskrümmers werden verschiedene Rohre gebogen, mit Flanschen gekoppelt und dann auf einer Seite an dem Zylinderkopf angeschraubt und auf der anderen Seite mit dem Abgasstrang gekoppelt.
Da bei einem Verbrennungsvorgang, insbesondere bei einem mit Ottokraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor Temperaturen des Abgases von mitunter mehr als 1200°C erreicht werden, sind weiterhin aus dem Stand der Technik zweischalige Abgaskrümmer bekannt. Diese Abgaskrümmer bestehen aus einem Innensystem und einem Außensystem, wobei insbesondere das Außensystem gasdicht ausgebildet ist. Zwischen Innensystem und Außensystem bildet sich dann eine Isolierschicht aus, so dass kurzzeitig hohe thermische Einwirkungen von dem Innensystem kompensiert werden und gleichzeitig die an den Abgaskrümmer angrenzenden Peripheriekomponenten, wie beispielsweise weitere Motorenbauteile, keine thermische Überlast erfahren.
Das Außensystem und das Innensystem werden aufgrund der Komplexität und unter Berücksichtigung von Herstellungskosten zumeist in Schalenbauweise derart hergestellt, dass ein Innensystem und ein Außensystem mitunter jeweils mehrschalig ausgebildet werden und dann die einzelnen Bauteile miteinander durch stoffschlüssige Verfahren gekoppelt werden. Beispielsweise sind derartige mehrschalige Abgaskrümmer bekannt aus der US 4 197 704 A , der JP 2003-172 136 A oder aber auch der JP S60-87 329 U . Ferner ist aus der DE 102 20 986 A1 ein Abgaskrümmer mit Isolationshülse bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein aus dem Stand der Technik bekannten mehrschaligen Abgaskrümmer in seinem Herstellungsverfahren zu vereinfachen und in seiner thermischen Belastbarkeit zu verbessern.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Abgaskrümmer gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Der erfindungsgemäße Abgaskrümmer für einen Verbrennungsmotor an einem Kraftfahrzeug ist als mindestens zweischaliger Abgaskrümmer ausgebildet, der ein Innensystem und ein Außensystem aufweist. Zylinderkopfseitig zu dem Verbrennungsmotor hin ist ein Flansch vorgesehen, wobei der Flansch mit dem Verbrennungsmotor koppelbar ist. Erfindungsgemäß ist eine Isolationshülse vorgesehen, die das Innensystem mit dem Flansch und mit dem Außensystem koppelt, wobei die Isolationshülse eine Öffnung des Flansches durchgreift und über den Flansch überstehend in den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors ragt.
Bei dem Flansch kann es sich im Rahmen der Erfindung um jeweils einen einzelnen Flansch für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges handeln. Bei dem Flansch kann es sich jedoch auch um eine Flanschleiste handeln, die beispielsweise im Falle eines Vierzylinderreinmotors vier Öffnungen aufweist. Jedem Flansch bzw. jeder Öffnung ist dann eine entsprechende Isolationshülse zugeordnet, die die Öffnung des Flansches durchgreift und zylinderkopfseitig in Richtung des Verbrennungsmotors überstehend ausgebildet ist, so dass die abgeführten Abgase bereits in dem Auslasskanal des Zylinderkopfes aufgenommen werden und in das Innensystem überführt werden.
Erfindungsgemäß wird somit durch die Isolationshülse eine thermische Entlastung von Flansch aber auch von Außensystem aufgrund der Isolationshülse erreicht. Gleichzeitig ist es mit der Isolationshülse möglich Außensystem, Flansch sowie Innensystem miteinander zu koppeln, so dass ein Montageaufwand der einzelnen Bauteile untereinander verringert ist, da alle gleichsam an einem Bauteil gekoppelt werden. Ganz besonders bevorzugt bietet sich hierzu ein Lötverfahren an, so dass die Isolationshülse mit den einzelnen Bauteilen verlötet wird und dann in einem Lotprozess, beispielsweise in einem Lötofen in diesem Bauteilbereich gefertigt wird. Erfindungsgemäß werden hierdurch mehrere Schweißverfahren und/oder Verunreinigungen der abgasführenden Bauteile durch Schweiß-Zusatzwerkstoffe oder Schweißspritzer vermieden.
Im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen Abgaskrümmer mit Isolationshülse wird somit zum einen die Temperaturbelastung der äußeren Schale reduziert, zum anderen dem Abgas so wenig Energie wie möglich entzogen. Positiver Effekt ist, dass ein nachgeschalteter Katalysator seine Zündtemperatur schneller erreicht, was wiederum zu einer Verringerung der Emissionen in der Kaltstartphase führt. Insbesondere bei selbstzündenden Verbrennungsmotoren, beispielsweise Dieselmotoren, ist dies eine effiziente Maßnahme, da beispielsweise eine Nacheinspritzung zur Reduzierung der Emission nur bedingt möglich ist und gleichzeitig auch zu Verbrauchsnachteilen führen würde. Die Isolation erfolgt somit hauptsächlich durch den Luftspalt zwischen Isolationshülse und Innensystem sowie zum Zylinderkopf. Zusätzlich wird eine direkte Wärmeleitung durch die reduzierte Querschnittsfläche an der Verbindung von Innenrohr zu Isolationshülse reduziert. Insbesondere kommen bei den Isolationshülsen Wanddicken kleiner als 2 mm, insbesondere kleiner als 1,5 mm zum Einsatz. Optional ist es möglich, zur Verbesserung der Isolationswirkung zwischen Innensystem und Isolationshülse einen zusätzlichen Dämmstoff, beispielsweise eine Fasermatte, einzusetzen.
Die Isolationshülse ist das Innensystem, welches in den Flansch ebenfalls hineinragt und als Stutzen ausgebildet ist, umgreifend ausgebildet, mit einem Presssitz. Somit ist es in einer Erstmontage möglich, die Isolationshülse in das Innensystem einzuschieben bzw. die Isolationshülse auf das Innensystem aufzuschieben und durch den Presssitz erfolgt eine Lagefixierung. Unterschiedliche Wärmeausdehnungen des Innensystems, welche insbesondere im Bereich der Öffnung des Flansches als Stutzen ausgebildet ist, werden durch den Presssitz derart kompensiert, dass sich das Innensystem aufgrund des direkten Kontaktes mit dem Abgas grundsätzlich stärker ausdehnt als die Isolationshülse. Mithin ist immer eine Gasdichtigkeit zwischen Innensystem und Isolationshülse in dem Auslasskanal des Zylinderkopfes gegeben.
Das Außensystem selbst ist mit einer Stirnseite an die Außenseite des Flansches stoßend. Die Isolationshülse durchgreift den Flansch und ist somit auch auf der Außenseite des Flansches zumindest abschnittsweise vorstehend ausgebildet. Die Isolationshülse wird dabei von dem Außensystem derart umgriffen, dass auch hier ein Presssitz ausgebildet ist. Insbesondere ist der Presssitz zwischen einer Innenmantelfläche des Außensystems sowie der Außenmantelfläche der Isolationshülse ausgebildet. Auch hierdurch ist es bei einer Erstmontage möglich, das Außensystem auf die Isolationshülse aufzuschieben, wobei durch den Presssitz eine erste Lagefixierung erfolgt. Die weitergehende Koppelung ist dann beispielsweise durch ein stoffschlüssiges Verfahren, insbesondere ein Lötverfahren durchführbar, welches das Außensystem und die Isolationshülse bzw. die Isolationshülse und den Flansch sowie gegebenenfalls Außensystem und Flansch zusätzlich miteinander stoffschlüssig koppelt.
Die Isolationshülse kann insbesondere im Rahmen der Erfindung als tiefgezogenes Blechbauteil hergestellt werden. hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Isolationshülse selbst keine Schweißnaht aufweist und somit keine potentielle Schwachstelle aufgrund der thermischen Belastung ausgebildet ist. Das Tiefziehbauteil bietet weiterhin den Vorteil, dass es aus einem thermisch resistenten, jedoch kostengünstigen Werkstoff herstellbar ist und gleichzeitig hohe Formgebungsfreiheit bietet. So wird insbesondere auf eine Mittellängsachse bezogen in Axialrichtung auf der Isolationshülse mindestens ein Stufenabsatz hergestellt, insbesondere zwei Stufenabsätze, wobei die Stufenabsätze als formschlüssige Anlage und/oder als Lotdepot dienen. Die Isolationshülse weist somit insbesondere auf ihren Querschnitt bezogen eine trichterförmige Kontur auf, wobei die Isolationshülse im Querschnitt, rund, oval oder aber auch eckig bzw. in Mischform der zuvor genannten Ausführungen ausgebildet sein kann. Die jeweiligen Stufenabsätze können fließend progressiv degressiv oder aber auch mit einem Stufensprung ineinander übergehen und dienen als Montagehilfe bzw. bei einer weiteren Montage als Lotdepot, so dass hier zunächst ein Lotzusatzwerkstoff auftragbar ist, der dann im späteren Lotvorgang in entsprechende Fassung, Sitze oder Rillen fließt und diese gasdicht und stoffschlüssig miteinander koppelt.
Weiterhin bevorzugt ist zwischen der Isolationshülse und dem Innensystem ein umlaufender Spalt in Axialrichtung zumindest abschnittsweise ausgebildet. Im Spalt selbst ist dann Luft oder ein Isolierwerkstoff angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Isolationshülse mit dem Innensystem nur im Innenbereich am Zylinderkopf gekoppelt bzw. an dem in den Zylinderkopf ragenden Teil des Innensystems. In der vom Zylinderkopf wegzeigenden Richtung mithin zum Abgaskrümmer hin zeigenden Richtung ist dann umlaufend ein Spalt ausgebildet, so dass das Innensystem thermisch von der Isolationshülse isoliert ist, wobei die Isolationshülse dann mit dem Flansch und mit dem Außensystem gekoppelt ist und hierdurch auch eine thermische Entkoppelung erfolgt. Unterschiedliche thermische Ausdehnungen des Innensystems wirken sich somit nicht unmittelbar auf den Flansch und/oder das Außensystem aus und zusätzlich wird der Vorteil geboten, dass die Gasdichtigkeit des gesamten Abgaskrümmers aufgrund der Koppelung von Isolationshülse mit Außensystem und/oder mit Flansch gegeben ist, ohne dass hierauf starke thermische Einwirkungen zu verzeichnen sind.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
1a und b einen Abgaskrümmer mit Flansch,
2 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie II-II aus 1b und
3 eine Detailansicht des Querschnitts aus 2.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
1 zeigt einen Abgaskrümmer 1, der mit einem Teil eines Turboladergehäuses 2 gekoppelt ist. Ein derartiger Turbolader 2 ist auch mit dem dazugehörigen Abgaskrümmer 1 als Integrallader bekannt. Der Abgaskrümmer selbst weist Flansche 3 auf, mit dem er mit einem nicht näher dargestellten Zylinderkopf koppelbar ist. Ein jeweiliger Flansch 3 hat wiederum eine in 2 dargestellte Öffnung 10, die hier von einer erfindungsgemäßen Isolationshülse 4 durchgriffen ist, wobei die Isolationshülse 4 gegenüber dem Flansch 3 in Richtung zu dem nicht näher dargestellten Zylinderkopf überstehend ausgebildet ist. Der Abgaskrümmer 1 wiederum besitzt ein mehrschaliges Außensystem 5, in dem ein in 1a und b nicht näher dargestelltes Innensystem 6 angeordnet ist.
2 zeigt eine Querschnittsansicht durch den erfindungsgemäßen Abgaskrümmer 1, wobei zu erkennen ist, dass das Außensystem 5 aus einer ersten Schale 5a sowie einer zweiten Schale 5b mithin mehrschalig zusammengesetzt ist. In dem Außensystem 5 selbst ist wiederum ein Innensystem 6 angeordnet, durch das ein Abgasstrom A strömt. Zu erkennen ist ferner, dass die Isolationshülse 4 sowie das Innensystem 6 den Flansch 3 an einer Zylinderkopfseite 7 überragen und in einen Zylinderkopf Z. Die Isolationshülse 4 umfasst ein zylinderkopfseitiges Ende 8 des Innensystems 6 radial außen umfangsseitig, mit einem Presssitz. Sodann ist jedoch zwischen Innensystem 6 und Isolationshülse 4 ein Spalt 9 ausgebildet, der das hineinragende Innensystem 6 thermisch von der Isolationshülse 4 entkoppelt. Die Isolationshülse 4 ist ferner in einer Öffnung 10 des Flansches 3 angeordnet und sitzt hier wiederum mit einem Presssitz. Ferner ist die Isolationshülse 4 auf der Außenseite 11 des Flansches 3 von dem Außensystem 5, insbesondere von der ersten Schale 5a des Außensystems 5 formschlüssig umgriffen, ganz besonders bevorzugt auch wiederrum mit einem Presssitz.
3 zeigt hierzu eine Detailansicht. Die Isolationshülse 4 weist auf ihre Längsrichtung 12 bezogen, hier dargestellt drei Stufenabsätze 13 auf, wobei insbesondere die jeweiligen Stufenabsätze 13 in Verbindung mit dem Außensystem 5 bzw. mit dem Flansch 3 einen Raum verlassen, der als Lotdepot 14 dient, in dem ein Lotzusatzwerkstoff zunächst positionierbar ist und so dann bei einem Lotvorgang aufschmilzt. In dem Spalt 9 zwischen Innensystem 6 und Isolationshülse 4 ist entweder ein Luftbzw. das zwischen Außensystem 5 innen befindliche System aufgrund des Betriebszustands der Verbrennungskraftmaschine befindliche Gas vorhanden oder aber auch ein Isolierwerkstoff, beispielsweise eine Fasermatte anordnenbar. Auch am Ende der Isolationshülse 4 ist diese mit dem Innensystem 6 gekoppelt, wobei hier ferner ein Lotdepot 14 vorgesehen sein kann, um Innensystem 6 mit Isolationshülse 4 lottechnisch zu koppeln. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, einen jeweiligen Presssitz 15 am Ende der Isolationshülse 4, mit der Öffnung 10 des Flansches 3 und/oder aber auch der Isolationshülse 4 mit dem Außensystem 5 ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

1: Abgaskrümmer
2: Turboladergehäuse
3: Flansch
4: Isolationshülse
5: Außensystem
5a: erste Schale
5b: zweite Schale
6: Innensystem
7: Zylinderkopfseite zu 3
8: Ende zu 6
9: Spalt
10: Öffnung zu 3
11: Außenseite zu 3
12: Längsrichtung
13: Stufenabsatz
14: Lotdepot
15: Presssitz
A: Abgasstrom
Z: Zylinderkopf

Claims

Abgaskrümmer (1) für einen Verbrennungsmotor an einem Kraftfahrzeug, wobei der Abgaskrümmer (1) zweischalig aus einem Außensystem (5) und einem Innensystem (6) ausgebildet ist, wobei zylinderkopfseitig ein Flansch (3) vorgesehen ist, der mit dem Verbrennungsmotor koppelbar ist, wobei eine Isolationshülse (4) vorgesehen ist, die das Innensystem (6) mit dem Flansch (3) koppelt und die das Außensystem (5) mit dem Flansch (3) koppelt, wobei die Isolationshülse (4) eine Öffnung (10) des Flansches (3) vollständig durchgreift, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationshülse (4) über den Flansch (3) überstehend in den Zylinderkopf (Z) des Verbrennungsmotors ragt, wobei die Isolationshülse (4) das Innensystem (6), welches in den Flansch (3) hineinragend als Stutzen ausgebildet ist, mit einem Presssitz (15) umgreift und dass das Außensystem (5) mit einer Stirnseite außenseitig an den Flansch (3) stoßend ausgebildet ist und die Isolationshülse (4) mit einer Innenmantelfläche der Öffnung (10) des Flansches (3) formschlüssig zur Anlage kommend mit einem Presssitz (15) ausgebildet ist.
Abgaskrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Isolationshülse (4) mit dem Außensystem (5) und dem Innensystem (6) und mit dem Flansch (3) stoffschlüssig gekoppelt ist.
Abgaskrümmer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationshülse (4) mit dem Außensystem (5) und dem Innensystem (6) und mit dem Flansch (3) mit einem Lötverfahren stoffschlüssig gekoppelt ist.
Abgaskrümmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Isolationshülse (4) als Blechumformbauteil ausgebildet ist.
Abgaskrümmer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationshülse (4) als Tiefziehbauteil ausgebildet ist.
Abgaskrümmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Isolationshülse (4) auf ihre Mittellängsachse bezogen in Axialrichtung mindestens einen Stufenabsatz (13) aufweist, wobei der Stufenabsatz (13) als formschlüssige Anlage und/oder als Lotdepot (14) dient.
Abgaskrümmer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationshülse (4) in Axialrichtung zwei Stufenabsätze (13) aufweist, wobei die Stufenabsätze (13) als formschlüssige Anlage und/oder als Lotdepot (14) dienen.
Abgaskrümmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zwischen Isolationshülse (4) und Innensystem (6) ein umlaufender Spalt (9) ausgebildet ist, wobei in dem Spalt (9) Luft oder ein Isolierwerkstoff angeordnet ist.