DE10223838C1 - Anordnung zur Führung von Abgasen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Führung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine mit einer rohrartigen Hohlstruktur, zwei an wenigstens einem endseitig der Hohlstruktur (2) angefügten Flansch (14). Die Hohlstruktur (2) ist doppelwandig ausgebildet mit einem Außenmantel (3) und einem Innenmantel (4), wobei der Innenmantel (4) flanschseitig aus dem Außenmantel (3) herausgeführt ist und mit einer nach außen gerichteten Bördelung (9) einen Endabschnitt (8) des Außenmantels (3) an seinem Außenumfang (15) umgreift. Die Bördelung (9) ist zusammen mit dem Endabschnitt (8) in den Flansch (14) eingesteckt und am Außenumfang (15) stoffschlüssig mit dem Flansch (14) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Führung von Abgasen einer Verbren­ nungskraftmaschine mit wenigstens einem endseitig einer Hohlstruktur ange­ fügten Flansch. Die betreffende Hohlstruktur ist zweischalig aufgebaut und be­ sitzt einen Außenmantel und einen Innenmantel.

Derartige Anordnungen kommen in der Praxis insbesondere als Abgaskrümmer zum Einsatz. Für eine schnellere Aufheizung von Katalysatoren werden zu­ nehmend als Ersatz für Gusskrümmer sogenannte gebaute Abgaskrümmer eingesetzt, die in der Regel aus einer Mehrzahl von Bauteilen schweißtech­ nisch zusammengefügt werden. Dies erfolgt auch vor dem Hintergrund, dass bei modernen Verbrennungskraftmaschinen höhere Abgastemperaturen auf­ treten, was bei den derzeit verwendeten Gusswerkstoffen Probleme hinsichtlich der Dauerhaltbarkeit hervorrufen kann.

Zudem lässt sich durch den Einsatz gebauter Abgaskrümmer eine Gewichts­ reduktion von etwa 50% gegenüber gegossenen Abgaskrümmern erzielen. Dies trägt vorteilhaft zu einer Reduzierung des Fahrzeuggesamtgewichts und damit zur Kraftstoffersparnis bei.

Problematisch bei den bekannten Anordnungen mit Hohlstrukturteilen, die zu­ nehmend auch als luftspaltisolierte Hohlstrukturteile mit einem Innenmantel und einem Außenmantel eingesetzt werden, ist die Anbindung an weitere Bauteile, wie z. B. Flansche. Die zur Zeit am häufigsten für Bauteile von rohrartigen Hohl­ strukturen angewandte Verbindungstechnik ist das Schmelzschweißen. Es muss jedoch ein in der Regel sehr dünnwandiger Innenmantel mit üblichen Dicken zwischen 0,3 mm bis 1,0 mm mit einem tragenden Außenmantel mit einer Dicke von etwa 1,5 mm bis 2,5 mm und mit einem Flansch verschweißt werden. Im Bereich eines Zylinderkopfs angeordnete Kopfflansche bzw. die dem Zylinderkopf abgewandten Schlussflansche besitzen in üblicher Bauart Dicken von etwa 8 mm bis 12 mm. Zur gegenseitigen Fügung dieser Bauteile wird in der Regel zunächst der Innenmantel in den Außenmantel eingeführt und in die Durchströmöffnung des Flansches gesteckt und anschließend gemein­ sam mit diesem verschweißt.

Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass Schweißspritzer auf den Innen­ flächen des Innenmantels anhaften, die nachträglich entfernt werden müssen. Dies ist mit einem hohen Nacharbeitsaufwand verbunden. Ein Schweißvorgang am Außenumfang des Außenmantels, wobei gleichzeitig durch den Außen­ mantel der Innenmantel aufgeschmolzen wird, ist nicht mit der hinreichenden Prozesssicherheit beherrschbar und daher kein für die Serienfertigung geeig­ neter Lösungsweg.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit einer rohrartigen Hohlstruktur zur Führung von Abgasen einer Verbren­ nungskraftmaschine aufzuzeigen, welche unter Vermeidung von Schweißsprit­ zern im Innenmantel prozesssicher und fertigungstechnisch günstig mit einem Flansch verbindbar ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Anordnung mit einer rohrartigen Hohlstruktur, bei welcher der Innenmantel flanschseitig aus dem Außenmantel heraus geführt ist und mit einer nach außen gerichteten Bördelung einen End­ abschnitt des Außenrohrs außenumfänglich umgreift. Dabei ist die Bördelung zusammen mit dem Endabschnitt in den Flansch eingesteckt und an der der Mündung der Hohlstruktur abgewandten Seite des Flansches mit diesem stoff­ schlüssig verbunden.

Bei dieser Ausgestaltung der rohrartigen Hohlstruktur werden Schweißspritzer an der Innenfläche des Innenmantels verhindert, da die stoffschlüssige Verbin­ dung, insbesondere eine Schweißnaht, in vorteilhafter Weise auf der der Mün­ dung der Hohlstruktur abgewandten Seite des Flansches vorgesehen ist.

Es ist zwar prinzipiell möglich, zunächst den Innenmantel mit dem Außenman­ tel zu verschweißen und über einen zweiten Schweißvorgang den Außenman­ tel am Flansch zu befestigen, zweckmäßigerweise ist jedoch nur ein Schweiß­ vorgang vorgesehen, bei dem der Außenmantel, der Innenmantel und der Flansch gemeinsam in einem Arbeitsvorgang verschweißt werden können. Hierzu ist nach Patentanspruch 2 beabsichtigt, dass die der Stirnseite des Endabschnitts abgewandte Stirnfläche der Bördelung in geeigneter Weise an dem Flansch ausgerichtet ist, so dass der Flansch, die Bördelung bzw. der In­ nenmantel sowie der Außenmantel mit einer einzigen umlaufenden Kehlnaht miteinander verschweißbar sind. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Stirn­ fläche der Bördelung mit dem Flansch in einer gemeinsamen Radialebene liegt. Diese Radialebene kann auch an einem eine zentrale Durchströmöffnung des Flansches umgebenden Kragen vorgesehen sein, wobei das mit der Bördelung versehene Ende der Hohlstruktur in die Durchströmöffnung eingesteckt ist.

Der Flansch braucht dabei nicht notwendigerweise massiv ausgeführt zu sein, sondern kann auch ein mit einem zentralen Durchzug versehener Blechflansch sein. Ein Vorteil eines solchen Flansches ist, dass der Schweißprozess mit gleichmäßigerem und geringerem Wärmeeinsatz durchführbar ist, so dass das Risiko thermisch bedingter Verwerfungen reduziert wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der die rohrartige Hohlstruktur aufnehmende Kragen etwa die gleiche Wanddicke wie die Hohlstruktur besitzt. Geringere Ausschussraten bei gleichzeitiger Verbesserung der Fertigungsqualität sind möglich. Aus Blech gefertigte Flansche verringern zudem den Masseneinsatz gegenüber massiv ausgeführten Flanschen.

Ein weiterer Vorteil ist die erhöhte Dauerfestigkeit der erfindungsgemäßen An­ ordnung, da Übergänge von großen Wanddicken auf sehr geringe Wanddicken und die damit einher gehenden Spannungsspitzen weitestgehend vermieden werden. Da die vorgesehene Schweißnaht am Außenumfang entlang eines größeren Radius geführt wird, treten zudem geringere Biegespannungen am Innenmantel auf. Dieser erfährt durch die Eingliederung zwischen dem Endab­ schnitt des Außenmantels und dem Flansch zusätzlich eine spannungsreduzie­ rende Klemmung.

Mit der Erfindung ist zudem eine einfachere Montage als bei bekannten Anord­ nungen möglich, da insbesondere ein aus Schalen aufgebauter Außenmantel durch Einstecken in die Bördelung des Innenmantels bereits eine Vorfixierung erfährt. Im Stand der Technik war bislang eine Punktschweißung zur Fixierung für den nachfolgenden Schweißvorgang erforderlich. Diese Punktschweißung kann vollständig entfallen.

Die rohrartige Hohlstruktur ist nicht auf kreisrunde Querschnitte des Innen­ mantels und des Außenmantels beschränkt, sondern es kommen grundsätzlich auch ovale oder mehreckig ausgestaltete Hohlstrukturen in Frage. Die rohrar­ tige Hohlstruktur ist zudem für alle Abgas führenden Leitungsstränge verwend­ bar, die über Flansche mit weiteren Komponenten zu koppeln sind. Ferti­ gungstechnisch lassen sich die Bördelungen sowohl an einem rohrartigen als auch einem schalenartig aufgebauten Innenmantel ausbilden. Bei einem scha­ lenartigen Innenmantel ist dieser zweckmäßigerweise vor dem Bördelvorgang zu einer Hohlstruktur gefügt, die anschließend mit dem Flansch und dem Außenmantel verbunden wird.

Die Anordnung kann in der Ausgestaltung eines Abgaskrümmers selbstver­ ständlich in Abhängigkeit von der Anzahl der Abgasauslässe mehrere ein­ gangsseitige Kopfflansche und ausgangsseitige Schlussflansche besitzen.

Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur erläutert.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt den Endbereich einer Anordnung 1 zur Führung von Abgas einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine. Die Anordnung 1 umfasst eine doppelwandig ausgestaltete Hohlstruktur 2 mit einem tragenden Außenmantel 3 und einem Abgas leitenden Innenmantel 4. Die Wanddicke des Außenmantels 3 beträgt ein Mehrfaches des Innenmantels 4. Die Wanddicke des Innenmantels 4 liegt zwischen 0,3 mm und 1 mm, wäh­ rend die Wanddicke des Außenmantels 3 zwischen 1,5 mm und 2,5 mm liegt. Zwischen dem Innenmantel 4 und dem Außenmantel 3 ist ein Luftspalt 5 vor­ handen.

In Richtung der Mündung 6 der Hohlstruktur 2 ist der Außenmantel 3 in einem Übergangsabschnitt 7 konisch verjüngt. An den Übergangsabschnitt 7 schließt sich ein im Durchmesser verjüngter Endabschnitt 8 des Außenmantels 3 an, welcher derart bemessen ist, dass er den Innenmantel 4 an seinem Außenum­ fang kontaktiert.

Der Innenmantel 4 erstreckt sich mündungsseitig 6 über den Endabschnitt 8 des Außenmantels 3 hinaus und ist rückwärtig um 180° zu einer im Querschnitt U-förmigen Bördelung 9 umgeformt. Hierbei umgreift die Bördelung 9 in ihrem Verlauf zunächst bogenförmig und im Abstand die Stirnseite 10 des Endab­ schnitts 8 und erstreckt sich dann parallel zu diesem in Abkehr von der Mün­ dung 6 parallel in Richtung zum konischen Übergangsabschnitt 7 des Außen­ mantels 3. Die dem Übergangsabschnitt 7 zugewandte Stirnfläche 11 der Bör­ delung 9 liegt in einer gemeinsamen Radialebene RE mit einem eine Durch­ strömöffnung 12 umgebenden Kragen 13 eines Flansches 14. Der Flansch 14 ist als Blechflansch ausgestaltet, wobei die zentrale Durchströmöffnung 12 mit dem umgebenden Kragen 13 durch ein Blechumformverfahren hergestellt ist.

Nach der Positionierung der Hohlstruktur 2 in dem Kragen 13 des Flansches 14 und insbesondere nach der Ausrichtung der Stirnfläche 11 der Bördelung 9 in der Radialebene RE des Kragens 13 erfolgt eine schweißtechnische Festle­ gung der Hohlstruktur 2 an dem Flansch 14 durch Herstellung einer umlaufen­ den Kehlnaht 16 am Außenumfang 15 des Außenmantels 3 im Übergangsbe­ reich zwischen dem Übergangsabschnitt 7 und dem Endabschnitt 8 sowie der Radialebene RE des Kragens 13. Dabei wird die zwischen dem Kragen 13 und dem Endabschnitt 8 eingefasste Bördelung 9 stoffschlüssig fixiert. Durch diese Ausgestaltung sind in einem einzigen Arbeitsgang sowohl der Innenmantel 4 als auch der Außenmantel 3 stoffschlüssig mit dem Flansch 14 verbunden, ohne dass durch Schweißspritzer im Mündungsbereich 6 der Hohlstruktur 2 bedingte Nacharbeiten erforderlich sind.

Bezugszeichenaufstellung

1

Anordnung

2

Hohlstruktur

3

Außenmantel

4

Innenmantel

5

Luftspalt

6

Mündung

7

Übergangsabschnitt

8

Endabschnitt

9

Bördelung

10

Stirnseite v.

8

11

Stirnfläche

12

Durchströmöffnung

13

Kragen

14

Flansch

15

Außenumfang

16

Kehlnaht

Claims (4)

1. Anordnung zur Führung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem endseitig einer Hohlstruktur (2) angefügten Flansch (14), wobei die Hohlstruktur (2) einen Außenmantel (3) und einen Innenmantel (4) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (4) flanschseitig aus dem Außenmantel (3) herausgeführt ist und mit einer nach außen gerichteten Bördelung (9) einen Endabschnitt (8) des Außenmantels (3) außenumfänglich umgreift, wobei die Bördelung (9) zusammen mit dem Endabschnitt (8) in den Flansch (14) eingesteckt ist und an der der Mün­ dung (6) der Hohlstruktur (2) abgewandten Seite des Flansches (14) mit diesem stoffschlüssig verbunden ist.

2. Rohrartige Hohlstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die der Stirnseite (10) des Endabschnitts (8) abgewandte Stirnfläche (11) der Bördelung (9) derart an dem Flansch (14) ausgerichtet ist, dass der Flansch (14), die Bördelung (9) und der Außenmantel (3) mit einer einzigen umlaufenden Kehlnaht (16) verschweißbar sind.

3. Rohrartige Hohlstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Flansch (14) einen eine zentrale Durchströmöffnung (12) umgebenden Kragen (13) aufweist, mit welchem die Hohlstruktur (2) im Eingriff steht und verschweißt ist.

4. Rohrartige Hohlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (4) und/oder der Außenmantel (3) jeweils aus miteinander verbundenen Schalen gebildet sind.