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Die
Erfindung betrifft eine doppelwandige Abgasführungseinheit für eine Brennkraftmaschine mit
einem Innenrohr und mit einem das Innenrohr umgebenden Außenrohr,
wobei das Innenrohr mit Abgas durchströmbar ist und wobei zwischen
dem Innenrohr und dem Außenrohr
ein mit einem Isoliermedium gefüllter
Zwischenraum angeordnet ist, durch den eine Übertragung von Wärme aus
dem Abgas über
das Innenrohr zum Außenrohr
verringert ist.
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Aus
der
DE 27 15 513 ist
eine Abgasleitungskonstruktion für
Brennkraftmaschinen bekannt, bei der in einer gegossenen Abgasleitung
ein rohrförmiges
Einsatzteil mit einem inneren Abschnitt und einem äußeren Abschnitt
angeordnet ist. Der innere Abschnitt ist dabei von dem äußeren Abschnitt
umgeben und weist einen kleineren Durchmesser auf als der äußere Abschnitt.
Zwischen dem inneren Abschnitt und dem äußeren Abschnitt ist ein Hohlraum vorgesehen,
durch den eine Abfuhr von Wärme
aus der Abgasleitung verringert ist. Bei der Herstellung der Abgasleitungskonstruktion
wird das Einsatzstück auf
einem Kern angeordnet und an entsprechender Stelle in einer Gussform
der Abgasleitung positioniert.
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Aus
der
DE 26 17 938 A1 ist
ein Zylinderkopf mit einem Auslasskanal bekannt, bei dem im Auslasskanal
eine rohrförmige Auskleidung
angeordnet ist, die an ihren Enden mit dem Zylinderkopf in Kontakt
steht. Im mittleren Bereich der rohrförmigen Auskleidung ist ein
Zwischenraum zwischen der Auskleidung und einer Wandung des Auslasskanals
vorgesehen, der mit Formsand oder Luft gefüllt sein kann. Der Zwischenraum
dient zur Wärmeisolation
der Auskleidung gegenüber
dem Zylinderkopf. In der
DE 26
17 938 A1 ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines
Zylinderkopfs beschrieben, bei dem zunächst ein Formmaterial zur Bildung
des Zwischenraums auf einer Oberfläche der Auskleidung aufgebracht
wird. Anschließend
wird die Auskleidung mit dem Formmaterial beim Gießen des
Zylinderkopfs als Kern für
den Auslasskanal verwendet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermisch und/oder mechanisch
höher belastbare
Abgasführungseinheit
bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit Hilfe einer Abgasführungseinheit
nach Anspruch 1 gelöst.
Dabei umfasst das Innenrohr ein reversibel verformbares erstes Ausgleichselement,
mit dessen Hilfe insbesondere aus Wärmedehnungen resultierende
Längenänderungen
des Innenrohrs und/oder Verschiebungen zwischen Innenrohr und Außenrohr kompensierbar
sind. Unter dem Begriff ,Längenänderungen' sind dabei Gestaltänderungen
des Innenrohrs in Längsrichtung,
Umfangsrichtung und/oder radialer Richtung einschließlich Beulenbildung
des Innenrohrs zu verstehen. Die Längenänderungen und/oder Verschiebungen
des Innenrohrs können insbesondere
infolge von Wärmedehnungen
beim Durchströmen
des Innenrohrs mit heißem
Abgas und/oder infolge mechanischer Belastungen beim Betrieb der
Brennkraftmaschine entstehen. Eine Kompensation der Längenänderungen
und/oder Verschiebungen mit Hilfe des ersten Ausgleichselements
führt insbesondere
zu einem spannungsärmeren
Zustand der Abgasführungseinheit.
Das erste Ausgleichselement kann beispielsweise als elastisch verformbares
oder mechanisch bewegliches Bauteil ausgeführt sein.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Ausgleichselement
als erste Dehnfalte ausgestaltet, welche zumindest abschnittsweise
in Längsrichtung
des Innenrohrs und/oder in Umfangsrichtung des Innenrohrs ausgerichtet
ist. Unter einer ersten Dehnfalte ist dabei eine rinnenförmige Vertiefung in
einer Wandung des Innenrohrs zu verstehen, wobei ein Boden der ersten
Dehnfalte vorzugsweise zur Außenseite
des Innenrohrs hin orientiert ist. Eine in Längsrichtung ausgerichtete erste
Dehnfalte ermöglicht
insbesondere eine Kompensation von Längenänderungen des Innenrohrs in
Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung. Eine Anordnung der ersten
Dehnfalte in Umfangsrichtung erlaubt insbesondere eine Kompensation
von Längenänderungen des
Innenrohrs in Längsrichtung
und/oder in radialer Richtung. Eine erste Dehnfalte kann darüber hinaus auch
wendelförmig
oder schraubenförmig
angeordnet sein. Die erste Dehnfalte zeichnet sich in fertigungstechnischer
Hinsicht durch eine besonders einfache Herstellbarkeit aus.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Außenrohr
ein reversibel verformbares zweites Ausgleichselement, mit dessen
Hilfe insbesondere aus Wärmedehnungen
resultierende Längenänderungen
des Außenrohrs
und/oder Verschiebungen zwischen Innenrohr und Außenrohr kompensierbar
sind. Dadurch ist eine weitere Möglichkeit
geschaffen, Längenänderungen
und/oder Verschiebungen von Innenrohr und Außenrohr der Abgasführungseinheit
zu kompensieren. Insbesondere ermöglicht das zweite Ausgleichselement
eine Reduzierung von Zug- und
Druckspannungen im Außenrohr.
Durch eine abgestimmte Auslegung der beiden Ausgleichselemente ist
es ferner möglich,
Längenänderungen
und/oder Verschiebungen des Innenrohrs und des Außenrohrs über einen
größeren Betriebsbereich
der Brennkraftmaschine zu kompensieren. Das zweite Ausgleichselement
kann analog zum ersten Ausgleichselement als elastisch verformbares
und/oder als mechanisch bewegliches Bauteil ausgeführt sein.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite Ausgleichselement
als zweite Dehnfalte ausgestaltet, welche zumindest abschnittsweise
in Längsrichtung
des Außenrohrs und/oder
in Umfangsrichtung des Außenrohrs
ausgerichtet ist. Hierdurch ist in einfacher Weise eine Kompensation
von Gestaltsänderungen
des Außenrohrs oder
von Verschiebungen zwischen Innenrohr und Außenrohr ermöglicht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Außenrohr
zumindest abschnittsweise in einem Gussbauteil der Brennkraftmaschine
angeordnet und/oder es steht mit diesem in Kontakt, wodurch eine
Wärmeübertragung
von dem Außenrohr
zum Gussbauteil ermöglicht
ist. Derartige Gussbauteile können
beispielsweise in Form von Zylinderköpfen, Kurbelgehäusen oder
Nockenwellenrahmen gegeben sein. Ebenso können auch Bestandteile einer Abgasanlage
wie Abgaskrümmer,
Sammelrohre oder Abgasrohre als Gussbauteile ausgeführt sein.
Durch die Anordnung der erfindungsgemäßen Abgasführungseinheit in einem Gussbauteil
ist eine Wärmeübertragung
vom Abgas zum Gussbauteil und somit eine thermische Belastung des
Gussbauteils reduziert. Mit Hilfe einer oder mehrerer ersten Dehnfalten und
gegebenenfalls einer oder mehrerer zweiten Dehnfalten lassen sich
darüber
hinaus die von der Abgasführungseinheit
auf das Gussbauteil übertragenen
Zug- und Druckspannungen reduzieren. In einem bevorzugten Herstellungsverfahren
wird die Abgasführungseinheit
mit dem Innenrohr und dem Außenrohr
vormontiert und als Gusskern in eine Form des Gussbauteils eingelegt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Außenrohr
als Kanal in einem Gussbauteil der Brennkraftmaschine ausgestaltet.
Das Gussbauteil bildet somit selbst das Außenrohr. In einem bevorzugten
Herstellungsverfahren wird das Innenrohr der Abgasführungseinheit
dabei zumindest abschnittsweise mit einem Formstoff umgeben und
als Gusskern in eine Form des Gussbauteils eingelegt. Diese Ausgestaltungsform
zeichnet sich insbesondere durch eine reduzierte Anzahl der verwendeten Bauteile
aus.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind das Innenrohr und
das Außenrohr
an einem Ende stoffschlüssig,
reibschlüssig
und/oder kraftschlüssig
miteinander verbunden. Dadurch ist eine Vermischung des Isoliermediums
im Zwischenraum mit der Abgasströmung
reduziert beziehungsweise unterbunden, woraus sich eine insgesamt
verbesserte Isolierwirkung ergibt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist als Isoliermedium
Luft vorgesehen. Damit ist ein einfach verfügbares und kostengünstiges
Mittel zur Isolierung des Innenrohrs gegenüber dem Außenrohr bereitgestellt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist als Isoliermedium
ein Formmaterial, insbesondere Sand, vorgesehen. Das Formmaterial
kann dabei bei der Herstellung der Abgasführungseinheit in den Zwischenraum
zwischen Innenrohr und Außenrohr
eingebracht werden. Nach Fertigstellung der Abgasführungseinheit
wird das Formmaterial im Zwischenraum belassen. Zur Verbesserung
der Wärmeisolierung
wird als Formmaterial bevorzugt ein Material mit einer geringen
Wärmeleitfähigkeit
verwendet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Ausgleichselement
und das zweite Ausgleichselement in radia ler Richtung des Innenrohrs
zumindest abschnittsweise übereinander angeordnet.
Diese Ausgestaltungsform ist insbesondere vorteilhaft, wenn das
erste Ausgleichselement und das zweite Ausgleichselement nach dem
gleichen technischen Wirkprinzip ausgeführt sind, beispielsweise beide
als Dehnfalten. Bei einer Kompensation von Längenänderungen des Innenrohrs und des
Außenrohrs
erfahren sowohl das erste Ausgleichselement als auch das zweite
Ausgleichselement reversible Gestaltsänderungen. Bei übereinander
angeordneten Ausgleichselementen lässt sich eine Kinematik der
Gestaltsänderungen
so aufeinander abstimmen, dass die Gefahr eines Kontakts zwischen
dem Innenrohr und dem Außenrohr,
insbesondere auch ein Kontakt zwischen dem ersten Ausgleichselement
und dem zweiten Ausgleichselement, über einen weiten Betriebsbereich
der Brennkraftmaschine verringert ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung greift das erste Ausgleichselement
in das zweite Ausgleichselement ein. Bei einer Ausgestaltung der
Ausgleichselemente als Dehnfalten kann dies beispielsweise durch
eine „gestapelte" Anordnung der beiden
Dehnfalten mit einem geringen Abstand zueinander realisiert sein.
Diese Ausgestaltungsform der Erfindung zeichnet sich durch einen
besonders geringen Bauraumbedarf aus.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem ersten
Ausgleichselement und dem zweiten Ausgleichselement ein Isoliermedium
angeordnet. Somit trägt
bei dieser Ausgestaltungsform auch der Bereich zwischen dem ersten Ausgleichselement
und dem zweiten Ausgleichselement zur Wärmeisolierung des Abgases bei.
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Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen sind den Ansprüchen sowie
der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele
anhand der Zeichnungen beschrieben sind.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Abgasführungseinheit
und
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2 einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Abgasführungseinheit entlang der Linie
II-II in 1.
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In 1 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
einer doppelwandigen Abgasführungseinheit 1 für eine Brennkraftmaschine
dargestellt. Die Abgasführungseinheit 1 ist
dabei von einem Gussbauteil in Form eines in 1 ausschnittweise
gezeigten Abgaskrümmers 4 umgeben.
Der Abgaskrümmer 4 dient
dazu, Abgas aus mehreren Auslasskanälen eines Zylinderkopfs der
Brennkraftmaschine einer nicht näher
dargestellten Sammelleitung zuzuführen. Ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen, kann die erfindungsgemäße Abgasführungseinheit jedoch in einem
beliebigen anderen, Abgas führenden
Bauteil angeordnet sein. Als Beispiele für solche Bauteile seien ein
Zylinderkopf, ein Abgaskrümmer
oder Abgasleitungen der Abgasanlage (gegossen, gezogen oder anderweitig
hergestellt) genannt. Ebenso ist es möglich, die Abgasführungseinheit
als eigenständiges
Bauteil auszuführen,
ohne dass sie von einem anderen Bauteil umgeben ist.
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Die
Abgasführungseinheit 1 umfasst
ein Innenrohr 2 und ein Außenrohr 3. Das Innenrohr 2 ist im
Betrieb der Brennkraftmaschine in Richtung des Pfeils A (1)
mit Abgas aus einem oder mehreren Brennräumen der Brennkraftmaschine
durchströmt. Das
Abgas wird dem Innenrohr 2 über einen ersten Abgaskanal 5 zugeführt. Nach
dem Durchströmen des
Innenrohrs 2 ist das Ab gas über einen zweiten Abgaskanal 6 aus
dem Abgaskrümmer 4 ausleitbar. Das
Innenrohr 2 ist mit dem Außenrohr 3 an beiden Enden
verbunden. Das Außenrohr 3 steht
mit dem Abgaskrümmer 4 in
Kontakt, wodurch insbesondere eine Wärmeübertragung von dem Außenrohr 3 zum Abgaskrümmer 4 ermöglicht ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform
sind dabei in geringem Umfang Gleitbewegungen zwischen dem Außenrohr 3 und dem
Abgaskrümmer 4 (beispielsweise
infolge von Wärmedehnungen)
möglich.
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Zwischen
dem Innenrohr 2 und dem Außenrohr 3 ist ein
geschlossener Zwischenraum 9 angeordnet. Der Zwischenraum 9 ist
mit einem Isoliermedium in Form von Luft gefüllt. Mit Hilfe des Isoliermediums
lässt sich
eine Wärmeübertragung
von dem heißen
Abgas im Innenrohr 2 zum Abgaskrümmer 4 reduzieren,
wodurch eine thermische Belastung des Abgaskrümmers 4 verringert
ist. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel
kann als Isoliermedium anstelle von Luft auch ein anderer Stoff
mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit
vorgesehen sein. Insbesondere kann der Zwischenraum 9 auch
mit Formsand gefüllt
sein.
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Das
Innenrohr 2 umfasst ein erstes Ausgleichselement in Form
einer ersten Dehnfalte 10. Die erste Dehnfalte 10 beinhaltet
einen in Umfangsrichtung des Innenrohrs 2 verlaufenden
ersten Abschnitt 11 an einem stromaufwärts gelegenen Ende 7 des
Innenrohrs, einen ebenfalls in Umfangsrichtung des Innenrohrs 2 verlaufenden
zweiten Abschnitt 12 an einem stromabwärts gelegenen Ende 8 des
Innenrohrs sowie einen in Längsrichtung
des Innenrohrs 4 verlaufenden dritten Abschnitt 13 (2). Über den
ersten Abschnitt 11 und den zweiten Abschnitt 12 lassen
sich insbesondere Längenänderungen
des Innenrohrs 2 in Längsrichtung
kompensieren. Solche Längenänderungen
können
sich im Betrieb der Brennkraftmaschine beispielsweise infolge von
Wärmedehnungen
des mit dem heißen
Abgas durchströmten
Innenrohrs ergeben. Über
den in Längsrichtung
verlaufenden dritten Abschnitt 13 der ersten Dehnfalte 10 lassen
sich wiederum Änderungen
des Umfangs des Innenrohrs 2 infolge von Wärmedehnungen
kompensieren. Die Änderungen
des Umfangs werden durch ein stärkeres
Auffalten des dritten Abschnitts 13 kompensiert.
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Ein
zweites Ausgleichselement in Form einer zweiten Dehnfalte 14 ist
dem Außenrohr 3 zugeordnet.
Die zweite Dehnfalte 14 umfasst analog zur ersten Dehnfalte 10 einen
in Umfangsrichtung des Außenrohrs 3 angeordneten
ersten Abschnitt 15, einen ebenfalls in Umfangsrichtung
des Außenrohrs 3 angeordneten
zweiten Abschnitt 16 sowie einen in Längsrichtung des Außenrohrs
ausgerichteten dritten Abschnitt 17 (2). Über den
ersten Abschnitt 15 und den zweiten Abschnitt 16 lassen
sich insbesondere Längenänderungen
des Außenrohrs 3 in Längsrichtung
kompensieren. Über
den in Längsrichtung
verlaufenden dritten Abschnitt 17 der zweiten Dehnfalte 14 lassen
sich ferner Änderungen
des Umfangs des Außenrohrs 3 kompensieren,
die insbesondere infolge von Wärmedehnungen
auftreten können.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist dabei eine Gleitbewegung zwischen dem Außenrohr 3 und dem
Abgaskrümmer 4 zumindest
in Teilabschnitten der Kontaktfläche
möglich.
Die Gleitbewegung erlaubt es, eine Umfangsvergrößerung des Außenrohrs 3 beispielsweise
infolge einer Wärmedehnung
durch ein stärkeres
Auffalten des dritten Abschnitts 17 zu kompensieren.
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Die
erste Dehnfalte 10 des Innenrohrs 2 und die zweite
Dehnfalte 14 des Außenrohrs 3 sind
in diesem Ausführungsbeispiel
in radialer Richtung des Innenrohrs gesehen übereinander angeordnet, wobei die
erste Dehnfalte 10 in die zweite Dehnfalte 14 eingreift.
Dadurch ist eine besonders Platz sparende Anordnung der ersten Dehnfalte 10 und
der zweiten Dehnfalte 14 gegeben, und die Gefahr eines
Kontakts zwischen dem Innen rohr 2 und dem Außenrohr 14 im
Bereich einer Dehnfalte 10, 14 ist verringert.
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Eine
Integration einer erfindungsgemäßen Abgasführungseinheit 1 in
einen Abgaskrümmer 4 oder
ein anderes Abgas führendes
Gussbauteil lässt sich
besonders einfach realisieren, indem die Abgasführungseinheit 1 bei
der Herstellung des Abgaskrümmers 4 in
eine Gussform des Abgaskrümmers 4 eingesetzt
wird. Dazu ist es sinnvoll, das Innenrohr 2 der Abgasführungseinheit 1 vor
dem Einsetzen in die Gussform mit einem Sandkern zu füllen, welcher zweckmäßigerweise über die
Enden der Abgasführungseinheit
hinausragt. Der Sandkern kann beispielsweise mit Hilfe einer Kernschiessmaschine
in das Innenrohr 2 der Abgasführungseinheit 1 eingebracht
werden. Anschließend
wird der Sandkern mit dem außen
anliegenden Innenrohr und dem Außenrohr in die Gussform eingelegt
und umgossen. Durch die über
die Abgasführungseinheit
hinausragenden Abschnitte des Sandkerns ist dabei die Form des ersten
Abgaskanals 5 und des zweiten Abgaskanals 6 im
Abgaskrümmer 4 bestimmt
(1). Nach dem Abkühlen des Gussmaterials wird
der Sandkern aus dem Abgaskrümmer 4 ausgeklopft.
In einem modifizierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Zwischenraum
zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr zumindest an einem
Ende der Abgasführungseinheit
auch offen ausgestaltet sein, so dass beim Einbringen des Sandkerns
mit Hilfe der Kernschiessmaschine auch der Zwischenraum mit Sand gefüllt wird.
Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, Sand als Isoliermedium
in den Zwischenraum einzubringen. Nach dem Einlegen der Abgasführungseinheit
in die Gussform und dem Gießen
des Bauteils wird der Sandkern aus dem Innenrohr ausgeklopft, wobei
der Sand im Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr
an Ort und Stelle verbleibt. Alternativ dazu ist es auch möglich, bei
der Herstellung nur den Zwischenraum zwischen dem Innenrohr und
dem Außenrohr
durch das offene Ende mit Sand zu fül len und die Einheit aus Innenrohr
und Außenrohr
anschließend
mittels Innenhochdruckumformung in die gewünschte Form zu bringen. Durch
den Sand im Zwischenraum wird dabei ein Kraftfluss zwischen dem
Innenrohr und dem Außenrohr
und damit eine Umformverhalten positiv beeinflusst.
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Die
erfindungsgemäße Abgasführungseinheit 1 zeichnet
sich durch eine verringerte Wärmeübertragung
von dem Abgas zu einem Außenrohr 3 beziehungsweise
zu einem die Abgasführungseinheit 1 umgebenden
Gussbauteil 4 der Brennkraftmaschine aus. Eine Anordnung
der Abgasführungseinheit 1 in
einem Abgaskrümmer 4 oder
einem anderen Gussbauteil bewirkt ferner eine verringerte thermische
Belastung des Abgaskrümmers 4.
Durch die erfindungsgemäße Abgasführungseinheit 1 ist
insbesondere die Gefahr eines plastischen Fliessens des Abgaskrümmers 4 im
heißen
Zustand reduziert, woraus sonst überkritische
Zugspannungen beim Erkalten des Bauteils resultieren könnten. Die
Dehnfalten bewirken durch die Kompensation der Wärmedehnungen im Betrieb der
Brennkraftmaschine eine Verrin gerung der in der Abgasführungseinheit
und gegebenenfalls im Abgaskrümmer
herrschenden Spannungen.