DE10218103A1

DE10218103A1 - Abgaskrümmer für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Herstellung eines solchen Abgaskrümmers

Info

Publication number: DE10218103A1
Application number: DE10218103A
Authority: DE
Inventors: Rainer Diez; Friedrich Hartmann
Original assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Current assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Priority date: 2002-04-23
Filing date: 2002-04-23
Publication date: 2003-11-20
Also published as: ATE301240T1; EP1365121A1; ES2243819T3; DE50300895D1; EP1365121B2; EP1365121B1

Abstract

Abgaskrümmer für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Abgasrohr, eventuell einer die Abgasrohre aufnehmenden Außenschale und mindestens einem mit den Abgasrohren und/oder mit der Außenschale verbundenen Motorflansch zur Verbindung des Abgaskrümmers mit dem Verbrennungsmotor, wobei zur Vermeidung von Verunreinigungen die Verbindung zwischen den Abgasrohren und den Motorflanschen sowie gegebenenfalls zwischen den Abgasrohren und der Außenschale und/oder zwischen der Außenschale und den Motorflanschen als Lötverbindung ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Abgasrohr, eventuell einer die Abgasrohre aufnehmenden Außenschale und mindestens einem mit den Abgasrohren und/oder mit der Außenschale verbundenen Motorflansch zur Verbindung des Abgaskrümmers mit dem Verbrennungsmotor.

Derartige Abgaskrümmer weisen zwischen Abgasrohr und Motorflansch sowie gegebenenfalls zwischen Außenschale und Motorflansch und/ oder zwischen Außenschale und Abgasrohr eine Schweißverbindung auf. Dabei tritt das Problem auf, dass Fremdpartikel wie Schweißspritzer im Abgaskrümmer verbleiben, die später im Betrieb nachfolgende Bauelemente wie Katalysatoren und Turbolader schädigen können. Um dies möglichst zu vermeiden, werden derartige Abgaskrümmer teilweise auch mit Laserschweißverbindungen hergestellt. Dies ist aber teuer und erfordert einen relativ großen Aufwand zur exakten Herstellung der miteinander zu verbindenden Bauteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgaskrümmer und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, die diese Nachteile nicht aufweisen. Insbesondere sollen Fremdpartikel im Krümmer vermieden werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Verbindung zwischen den Abgasrohren und den Motorflanschen sowie gegebenenfalls zwischen den Abgasrohren und der Außenschale und/oder zwischen der Außenschale und den Motorflanschen als Lötverbindung ausgebildet ist.

Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass Abgaskrümmer der eingangs genannten Art gut und günstig gelötet werden können. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass beim Löten keine Fremdpartikel entstehen, die nachfolgende Bauelemente schädigen könnten. Auch wird der Abgaskrümmer beim Erhitzen auf die Löttemperatur metallisch gereinigt.

Vereinfacht und verbessert kann der Lötvorgang dadurch werden, dass zwischen den miteinander zu verlötenden Teilen ein auf Löt-Spaltmaß abgestimmter Presssitz vorhanden ist. Zum einen kann dadurch ein enger Lötspalt erreicht werden, der zu einer relativ großflächigen Verteilung des Lots führt. Die Verbindung zwischen den Teilen ist dadurch nicht, wie beim Schweißen, linienförmig sondern flächig, wodurch die Festigkeit erhöht wird. Zum anderen werden die miteinander zu verlötenden Teile dadurch sicher positioniert, bis die Lötung abgeschlossen ist.

Alternativ kann eine Fixierung durch Heftschweißpunkte und leichten Presssitz vorgesehen sein.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Lötstellen an einer gegenüber dem Abgasstrom geschützten Stelle angeordnet. Beispielsweise können die Lötstellen auf einer dem Abgasstrom abgewandten Seite des Abgasrohres oder in Abgasstromrichtung betrachtet hinter einem Absatz angeordnet sein. Die Lötstellen werden dadurch im Betrieb der Abgasanlage nicht direkt vom Abgasstrom angeströmt und bleiben dementsprechend relativ kühl. Dadurch ist es möglich, auch bei relativ heißen Abgasen eine Lötverbindung bei Abgaskrümmern einzusetzen.

Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Lötstellen in einer Nut angeordnet, deren Öffnung vom Abgasstrom weg weist. Die Lötstellen können dadurch noch besser vor dem Abgasstrom geschützt und entsprechend kühl gehalten werden. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere bei Motoren mit hohen Abgastemperaturen wie Benzinmotoren vorteilhaft.

Eine andere Möglichkeit, die Lötstellen gegenüber dem Abgasstrom zu schützen, besteht darin, die Durchtrittsöffnungen der Motorflansche für den Abgasstrom derart gestuft auszubilden, dass sie sich in Strömungsrichtung erweitern, und die Abgasrohre und/oder die Außenschale gegen die Stufe gestoßen anzuordnen. Hierdurch wird auch die Montage vereinfacht.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Durchtrittsöffnungen der Abgasrohre und der Motorflansche jeweils bündig ineinander übergehen, da dann die Abgasströmung wenig behindert wird, was zu einer entsprechend geringeren Aufheizung des Verbindungsbereiches zwischen Abgasrohren und Motorflanschen sowie gegebenenfalls Außenschale führt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich auch dann, wenn die Motorflansche um ihre Durchtrittsöffnungen herum jeweils eine Nut aufweisen, in welche die Abgasrohre und/oder die Außenschale der Abgasrohre eingesteckt sind. Das Lot kann dadurch gut vor dem Abgas geschützt werden und die Montage ist besonders einfach möglich.

Die Außenschale des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers besteht in an sich bekannter und vorteilhafter Weise bevorzugt aus zwei Halbschalen. Erfindungsgemäß können auch diese beiden Halbschalen miteinander verlötet sein. Damit kann auch an dieser Stelle ein Schweißvorgang und damit das Entstehen von Verunreinigungen vermieden werden. Zudem können die Verbindungen in einem gemeinsamen Arbeitsgang hergestellt werden.

Auch der Austrittsflansch des Abgaskrümmers ist bevorzugt mit den Abgasrohren und/oder der Außenschale verlötet. Wie zuvor, wird hierdurch das Entstehen von Verunreinigungen vermieden und die gleichzeitige Herstellung aller Verbindungen in einem Arbeitsgang ermöglicht.

Als Lot kann beispielsweise ein Kupferlot mit einer Schmelztemperatur von ca. 1083°C, ein Kupfer-Nickel-Lot mit einer Schmelztemperatur von 1085°C bis 1100°C oder auch ein Hochtemperatur-Nickel-Lot mit einer Schmelztemperatur von ca. 1000°C verwendet werden.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Abgaskrümmers werden die Abgasrohre und der Motorflansch und/oder die Außenschale durch Löten miteinander verbunden. Ebenso werden gegebenenfalls die beiden Halbschalen der Außenschale miteinander und die Abgasrohre und/oder die Außenschale mit dem Austrittsflansch bevorzugt verlötet. Dies kann vorteilhafterweise gemeinsam in einem einzigen Arbeitsgang in einem Lötofen erfolgen.

Die miteinander zu verlötenden Teile werden vor dem Löten insbesondere gegeneinander kraftschlüssig fixiert. Damit kann die Montage vereinfacht und eine feste und dichte Lötung sichergestellt werden.

Um eine möglichst großflächige Verteilung des Lots im Spalt zu erreichen, wird bevorzugt ein möglichst kleiner Lotspalt eingestellt. Hierzu kann das innere Bauteil an einer Lotstelle gegen das äußere Bauteil aufgeweitet werden, beispielsweise mittels eines Aufweitdorns. Der Lotspalt wird dabei bevorzugt auf kleiner 0,2 mm, insbesondere zwischen ca. 0,02 und 0,015 mm eingestellt. Diese Werte haben sich für eine gute Lötung als besonders geeignet herausgestellt.

Die Löttemperatur beträgt bevorzugt zwischen 1000°C und 1200°C, je nach Lot. Bei einem Kupfer-Lot beträgt sie beispielsweise zwischen ca. 1100°C und 1150°C, bei einem Kupfer-Nickel-Lot ca. 1120°C und bei einem Hochtemperatur-Nickel-Lot ca. 1040°C. Die Lötung wird in üblicher Weise unter Schutzatmosphäre, insbesondere Wasserstoff, oder in Vakuum durchgeführt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen, jeweils in schematischer Darstellung:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgaskrümmer,
Fig. 2 eine erste Variante einer Lötstelle,
Fig. 3 eine zweite Variante einer Lötstelle, und
Fig. 4 eine dritte Variante einer Lötstelle.
Der in Fig. 1 dargestellte Abgaskrümmer umfasst drei Abgasrohre 1, 2 und 3, die mit ihrem einen Ende jeweils mit einem Motorflansch 4 verbunden sind. Die anderen Enden der Abgasrohre 1 und 2 sind in das eine Ende eines Sammelrohres 5 eingesteckt, dessen anderes Ende zusammen mit dem anderen Ende des dritten Abgasrohres 3 in das eine Ende eines weiteren Sammelrohres 6 eingesteckt ist.
Alle Abgasrohre 1, 2 und 3 sowie die Sammelrohre 5 und 6 sind in einer Außenschale 7 untergebracht, die durch zwei Halbschalen 8 und 9 gebildet ist. Die Außenschale 7 ist zusammen mit den Abgasrohren 1, 2 und 3 in die Motorflansche 4 und zusammen mit dem zweiten Sammelrohr 6 in einen Austrittsflansch 10 eingesteckt. Im Bereich des Austrittsflansches 10 ist aber nur die Außenschale 7 mit dem Austrittsflansch 10 fest verbunden, während das zweite Sammelrohr 6 freitragend angeordnet ist.
Im Bereich der Motorflansche 4 sind dagegen neben der Außenschale 7 auch die Abgasrohre 1, 2 und 3 fest mit den Motorflanschen 4 verbunden. Diese weisen hierfür eine sich in Abgasstromrichtung I erweiternde Stufung 11 auf, so dass eine Aufnahme entsteht, in welche die Abgasrohre 1, 2 und 3 zusammen mit der Außenschale 7 eingesteckt sind. Die Abgasdurchtrittsöffnungen 12 der Motorflansche 4 sind dabei jeweils bündig mit den Innenwänden 21 der Abgasrohre 1, 2 und 3 ausgebildet.
Sowohl die Lötverbindungen zwischen den Abgasrohren 1, 2 und 3 mit den Motorflanschen 4 und der Außenschale 7 im Bereich der Motorflansche 4 als auch die Verbindung der Außenschale 7 mit dem Austrittsflansch 10 und die Verbindung zwischen den beiden Halbschalen 8 und 9 der Außenschale 7 sind als Lötverbindungen ausgebildet. Eine mögliche Art der Lötverbindung an den Motorflanschen 4 ist jeweils in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Variante weist die Stufung 11 des Motorflansches 4 eine schräge Wand 13 auf, die in eine in Abgasstromrichtung I verlaufende Wand 14 übergeht. Anschließend an die Wand 14 erweitert sich die Abgasdurchtrittsöffnung 12 des Motorflansches 4 nochmals unter Bildung einer weiteren schrägen Wand 15. Die Außenschale 7 und das hier beispielhaft dargestellte Abgasrohr 1 sind so ausgebildet, dass sie einerseits aneinander anliegen und andererseits an der Wand 14. Außerdem ist die Außenschale 7 gegen die schräge Wand 13 gestoßen. Dabei besteht zwischen der Außenschale 7 und dem Motorflansch 4 ein Presssitz, durch welchen die genannten Teile kraftschlüssig gegeneinander fixiert werden.
Durch die schrägen Wände 13 und 15 sowie die Anordnung der Außenschale 7 und des Abgasrohres 1 werden zwei Aufnahmebereiche 16 für Lot 17 geschaffen, die alternativ oder kumulativ eingesetzt werden können. Insbesondere kann bei diesem Ausführungsbeispiel das Lot 17 als Paste aufgetragen werden. Durch anschließendes Erhitzen wird die Lötverbindung hergestellt, wobei das Lot 17 aufgrund von Kapillarwirkung in den Spalt 18 zwischen Motorflansch 4 und Außenschale 7 sowie in den Spalt 19 zwischen Außenschale 7 und Abgasrohr 1 gesogen wird. Dadurch entsteht eine großflächige Verbindung, die zu einer hohen Haltbarkeit führt.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Variante ist die Stufung 11 des Motorflansches 4 gerade ausgebildet. Das heißt, die Wand 13 verläuft senkrecht zur Wand 14. Durch zurück versetzte Anordnung des Abgasrohres 1 gegenüber der Außenschale 7 kann auch bei dieser Variante eine Aufnahme 16 für Lot 17 an der Stufe 11 geschaffen werden. Die schräge Wand 15 ist hier außerdem kleiner ausgebildet. Im übrigen stimmt die Ausgestaltung mit der Ausgestaltung von Fig. 2 überein.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Variante ist der Motorflansch 4 im Bereich seiner Abgasdurchtrittsöffnung 12 mit einer Nut 20 versehen, deren Öffnung 22 in Abgasstromrichtung I weist. In die Nut 20 sind das Abgasrohr 1 und die Außenschale 7 eingesteckt, wobei hier die Außenschale 7 gegenüber dem Abgasrohr 1 zurück versetzt angeordnet ist, so dass wiederum eine Aufnahme 16 für Lot 17 geschaffen wird. Eine weitere Aufnahme 16 ist auch hier durch eine schräge Wand 15 im Anschluss an die Wand 14 gebildet. Bevorzugt wird bei dieser Ausgestaltung ein Lotring verwendet. Der übrige Aufbau und die Wirkungsweise ist wieder wie bei der Variante von Fig. 2.
Insgesamt wird so ein einfach herstellbarer Abgaskrümmer geschaffen, der ohne Schweißverbindungen auskommt. Das Entstehen von Verunreinigungen im Abgaskrümmer kann dadurch vermieden werden, so dass keine Gefahr einer Beschädigung nachfolgender Bauelemente besteht. Durch das Vorsehen eines engen Spaltes 18, 19 zwischen den zu verbindenden Teilen 1, 4, 7, was durch einen abgestimmten Presssitz erreicht werden kann, wird eine flächige Verteilung des Lotes 17 ermöglicht, und dadurch eine feste und dauerhafte Verbindung. Durch den Presssitz werden die Teile 1, 4, 7 außerdem vor dem Lötvorgang gegeneinander fixiert.
Ein derartiger Abgaskrümmer ist insbesondere als Dieselkrümmer einsetzbar, da hier die Abgastemperaturen niedriger sind. Bei Verwendung eines entsprechend höher schmelzenden Lotes ist aber auch die Verwendung bei Benzinmotoren möglich. Eine Verwendung der Lötverbindungen wird außerdem durch die versteckte Anordnung der Lötstellen durch den Absatz 11 oder die Nut 20 im Motorflansch 4 erreicht. Eine möglichst geringe Erwärmung der Lötstelle wird auch dadurch gefördert, dass die Abgasdurchtrittsöffnung 12 des Motorflansches 4 bündig mit der Innenwand 21 der Abgasrohre 1, 2 und 3 ausgebildet ist. Bezugszeichenliste 1 Abgasrohr
2 Abgasrohr
3 Abgasrohr
4 Motorflansch
5 Sammelrohr
6 Sammelrohr
7 Außenschale
8 Halbschale
9 Halbschale
10 Austrittsflansch
11 Stufung
12 Abgasdurchtrittsöffnung
13 Wand
14 Wand
15 Wand
16 Aufnahme
17 Lot
18 Spalt
19 Spalt
20 Nut
21 Innenwand
22 Öffnung
I Abgasstromrichtung

Claims

1. Abgaskrümmer für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Abgasrohr (1, 2, 3), eventuell einer die Abgasrohre (1, 2, 3) aufnehmenden Außenschale (7) und mindestens einem mit den Abgasrohren (1, 2, 3) und/oder mit der Außenschale (7) verbundenen Motorflansch (4) zur Verbindung des Abgaskrümmers mit dem Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den Abgasrohren (1, 2, 3) und den Motorflanschen (4) sowie gegebenenfalls zwischen den Abgasrohren (1, 2, 3) und der Außenschale (7) und/ oder zwischen der Außenschale (7) und den Motorflanschen (4) als Lötverbindung ausgebildet ist.

2. Abgaskrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den miteinander zu verlötenden Teilen ein auf Lötnaht abgestimmter Presssitz und/oder eine oder mehrere Heftschweißstellen vorhanden sind.

3. Abgaskrümmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötstellen an einer gegenüber dem Abgasstrom geschützten Stelle angeordnet sind.

4. Abgaskrümmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötstellen auf einer dem Abgasstrom abgewandten Seite des Abgasrohres (1, 2, 3) vorgesehen sind.

5. Abgaskrümmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötstellen in Abgasstromrichtung (I) betrachtet hinter einem Absatz (11) angeordnet sind.

6. Abgaskrümmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötstellen in einer Nut (20) angeordnet sind, deren Öffnung (22) in Abgasstromrichtung (I) weist.

7. Abgaskrümmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (12) der Motorflansche (4) für den Abgasstrom derart gestuft ausgebildet sind, dass sie sich in Strömungsrichtung (I) erweitern und dass die Abgasrohre (1, 2, 3) und/oder die Außenschale (7) jeweils gegen die Stufe (11) gestoßen angeordnet sind.

8. Abgaskrümmer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (12) der Motorflansche (4) jeweils bündig mit den Innenwänden (21) der Abgasrohre (1, 2, 3) ausgebildet sind.

9. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorflansche (4) um ihre Durchtrittsöffnung (12) herum jeweils eine Nut (20) aufweisen, in welche das Abgasrohr (1, 2, 3) und/oder die Außenschale (7) eingesteckt sind.

10. Abgaskrümmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (7) aus zwei miteinander verlöteten Halbschalen (8, 9) besteht.

11. Abgaskrümmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsflansch (10) des Abgaskrümmers mit den Abgasrohren (1, 2, 3) und/oder mit der Außenschale (7) verlötet ist.

12. Abgaskrümmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Lot ein Kupfer-Lot verwendet ist.

13. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Lot ein Kupfer-Nickel-Lot verwendet ist.

14. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Lot ein Hochtemperatur-Nickel-Lot verwendet ist.

15. Verfahren zur Herstellung eines Abgaskrümmers für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Abgasrohr (1, 2, 3), eventuell einer die Abgasrohre (1, 2, 3) aufnehmenden Außenschale (7) und mindestens einem mit den Abgasrohren (1, 2, 3) und/oder mit der Außenschale (7) verbundenen Motorflansch (4) zur Verbindung des Abgaskrümmers mit dem Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrohre (1, 2, 3) und die Motorflansche (4) sowie gegebenenfalls die Abgasrohre (1, 2, 3) und die Außenschale (7) und/ oder die Außenschale und die Motorflansche (4) durch Löten miteinander verbunden werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer aus zwei Halbschalen (8, 9) bestehenden Außenschale (7) auch diese miteinander verlötet werden.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abgaskrümmern mit Austrittsflansch (10) auch dieser mit den Abgasrohren (1, 2, 3) und/oder der Außenschale (7) durch Löten verbunden wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, . dass die miteinander zu verlötenden Teile (1, 4, 7) vor dem Löten gegeneinander kraftschlüssig fixiert oder geheftet werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein kleiner Lotspalt (18, 19) eingestellt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Bauteil (1, 7) gegen das äußere Bauteil (7, 4) aufgeweitet wird, insbesondere mittels eines Aufweitdorns.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lotspalt (18, 19) kleiner als 0,2 mm, insbesondere zwischen ca. 0,02 mm und ca. 0,15 mm eingestellt wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Löten bei einer Temperatur von ca. 800°C bis ca. 1200°C, insbesondere bei ca. 1000°C erfolgt.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Lot ein Kupfer-Lot, ein Kupfer-Nickel-Lot oder Hochtemperatur-Nickel-Lot verwendet wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötverbindungen, insbesondere alle gemeinsam, in einem Lötofen ausgeführt werden.