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Die Erfindung beschreibt eine Anordnung zur Führung von Abgas aus einer Verbrennungskraftmaschine, die sich aus einer rohrartigen, Abgas führenden Hohlstruktur und einem endseitig mit der Hohlstruktur gefügten Flansch zusammensetzt.
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Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge verfügen über Abgas führende Bauteile, die das Abgas von der Brennkraftmaschine zum Heck des Fahrzeugs leiten, den sogenannten Abgasstrang. Dabei besteht der Abgasstrang aus diversen Einzelbauteilen wie Abgaskrümmern, Vorrohren, Katalysatoren und Schalldämpfern, die alle miteinander jeweils abgasdicht verbunden werden müssen. Zum einen ist das Gewicht der Abgasanlage ein wichtiger Einflussfaktor, zum anderen wird der zur Verfügung stehende Bauraum aufgrund der zunehmenden Anzahl an Aggregaten immer geringer. Alle Bauteile des Abgasstrangs müssen verhältnismäßig hohe Betriebstemperaturen und dem Temperaturunterschied zwischen Betriebs- und Umgebungstemperaturen standhalten. Darüber hinaus müssen diverse emissionsrelevante Informationen für die Motorsteuerung zur Regulierung des Verbrennungsvorgangs generiert und weitergegeben werden. Zudem sind die Anforderungen hinsichtlich der inneren Sauberkeit von Abgas führenden Systemen hoch, damit keine Schweißspritzer oder Partikel den Turbolader oder Katalysator beschädigen können oder über ein Abgasrückführsystem gar in die Brennkraftmaschine gelangen. Es zählt daher zum Stand der Technik, die diversen Rohr- oder Gehäuseartigen Abgas führenden Hohlstrukturen des Abgasstrangs über eine Flanschverbindung miteinander Abgasdicht zu verbinden, wobei die Flansche häufig mit MIG- oder MAG- Schweißungen mit den Hohlstrukturen des Abgasstrangs gefügt werden.
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Die gattungsgemäße
DE 102 01 589 C1 beschreibt eine Anordnung zur Führung von Abgas aus einer Verbrennungskraftmaschine, die sich aus einer rohrartigen Hohlstruktur und endseitig mit der Hohlstruktur gefügten Flanschen zusammensetzt, Die
DE 102 01 589 C1 stellt fest, dass bei gebauten Abgaskrümmern Probleme dadurch auftreten, dass die aus Rohren, Profilen oder Schalenkörpern bestehenden dünnwandigen Hohlstrukturen oft mit im Vergleich zu ihren Wanddicken deutlich dickeren Flanschen schweißtechnisch gefügt werden müssen. Dabei kommt es häufig zu Fügefehlern wie kalten Schweißnähten, Undichtigkeiten oder Durchbrand. Deswegen schlägt die
DE 102 01 589 C1 vor, dass die Wanddicken der einlagigen Enden der Hohlstruktur größer als die Wanddicke der Hohlstruktur zwischen den Enden jedoch kleiner als die Dicke der Flansche bemessen sind, und wobei die Enden unter fluchtender Ausrichtung ihrer Stirnseiten mit den der Hohlstruktur abgewandten Flachseiten der Flansche in Ausnehmungen der Flansche eingesetzt sowie durch Kehlnähte zwischen den Flanschen und den äußeren Oberflächen der Enden mit den Flanschen schweißtechnisch gefügt sind.
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In der
DE 102 23 838 C1 wird eine Anordnung zur Führung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem endseitig einer Hohlstruktur angefügten Flansch offenbart, wobei die Hohlstruktur einen Außenmantel und einen Innenmantel besitzt. Der Innenmantel wird erfindungsgemäß flanschseitig aus dem Außenmantel herausgeführt und umgreift mit einer nach außen gerichteten Bördelung einen Endabschnitt des Außenmantels am Außenumfang, wobei die Bördelung zusammen mit dem Endabschnitt in den Flansch eingesteckt ist und an der der Mündung der Hohlstruktur abgewandten Seite des Flansches mit diesem stoffschlüssig verbunden ist.
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Aus der
US 4,993,513 A ist ein von Abgas durchströmter, aus zwei Halbschalen zusammengesetzter Schalldämpfer bekannt, in den jeweils am Eingang und Ausgang des Schalldämpfers ein Flansch eingelegt ist, durch den ein Abgasrohr hindurchfährt. Der Flansch ist zumindest teilweise im Inneren des Schalldämpfers angeordnet und wird auf seiner dem Abgas abgewandten Seite von der Schalldämpferschale durch einen Hinterschnitt umgriffen. Die Halbschalen sind aus anorganischen Fasern gefertigt und gegebenenfalls mit Harz getränkt. Der Flansch ist mit dem Abgaseinlass- und Auslassrohr verschweißt und zwar innerhalb des Schalldämpfers an den Stellen 4d. Mit den Halbschalen ist der Flansch verklebt.
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Aus der
US 5,627,351 A ist eine kompakte Filterstruktur bekannt, die sich innerhalb der Expansionskammer eines Schalldämpfers befindet. Der Filter ist mit einem Auslass verbunden, der koaxial mit der Expansionskammer verläuft und mittels eines Deckels verschlossen ist. An dem Deckel befindet sich ein Flansch, der mittels einer Schraubverbindung mit Dichtung mit dem Deckel des Schalldämpfers verbunden ist. Der Deckel des Schalldämpfers ist mit dem Schalldämpferkörper fest verbunden durch Schweißen oder Nieten. Sowohl der Deckel des Schalldämpfers als auch der Flansch am Deckel des Auslasses als auch die Schraubverbindung mit der Dichtung sind dem Abgas ausgesetzt. Allerdings sind die zu verbindenden Wandstärken von Deckel und Flansch in etwa gleich.
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Bei dem bisher aufgezeigten und exemplarisch in der weiter unten beschriebenen 1 dargestellten Stand der Technik besteht die Gefahr des Einbringens von Schweißspritzern in den Innenbereich der Abgas führenden Hohlstruktur, was wiederum die Gefahr birgt, dass Abgassysteme wie Turbolader oder Katalysatoren zerstört werden können. Das Abgas führende Bauteil wird durch die Inhomogenität der Schweißnaht zwischen dem Flansch und der Hohlstruktur geschwächt. Gleichzeitig wird diese Schwächung noch durch ein ungünstiges Flächenträgheitsmoment verstärkt, so dass der Ausfall einer Abgasanlage im allgemeinem im Bereich der Schweißnaht stattfindet. Die bekannten Lösungen aus dem Stand der Technik sind verhältnismäßig Bauraumintensiv und erhöhen die Komplexität der einzelnen Abgaskomponente.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Führung von Abgas aus einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, welche einfach baut, den Anforderungen an Abgaskomponenten gerecht wird und sicher gefertigt werden kann.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach wird bei einer Anordnung zur Führung von Abgas aus einer Verbrennungskraftmaschine, die sich aus einer rohrartigen, Abgas führenden Hohlstruktur und einem endseitig mit der Hohlstruktur gefügten Flansch zusammensetzt, der Flansch im Inneren der rohrartigen Hohlstruktur angeordnet. Der Flansch kommt folglich direkt mit dem heißen Abgas in Berührung. Bevorzugt wird der Flansch auf der dem Abgas abgewandten Seite von der Hohlstruktur umgriffen. Dadurch kann auf eine Schweißung zur Befestigung des Flansches verzichtet werden. Folglich gibt es im Inneren des Systems keine Verunreinigungen durch Schweißspritzer, der gesamte Schweißvorgang kann eingespart werden und die Dichtigkeit des Gesamtsystems wird erhöht. Die Schwächung durch die Schweißnaht entfällt. Dadurch, dass die Hohlstruktur den Flansch auf der dem Abgas abgewandten Seite umgreift, wird der Verbindungsbereich versteift und das Flächenträgheitsmoment erhöht. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Dauerhaltbarkeit des Gesamtsystems verbessert. Durch die im Allgemeinen geringere Gesamtoberfläche verringern sich auch die Wärmeverluste der Anordnung. Außerdem wird so eine kompaktere Bauweise zur besseren Ausnutzung des Bauraumes geschaffen. Der innen liegende Flansch ist allerdings durch den direkten Kontakt mit dem zu führenden Abgas höheren Temperaturen als bisher ausgesetzt.
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Der Flansch wird zunächst in ein Ende eines offenen Rohres oder einer Schale einer Abgas führenden Hohlstruktur eingelegt. Sodann wird der Flansch vorläufig lagefixiert, beispielsweise durch ein Widerstandspunktschweißen, ein Clinchen oder bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Hohlstruktur durch Klemmung. Anschließend wird der vorläufig fixierte Flansch von außen mit einem Flansch eines zu verbindenden Bauteils verbunden, zum Beispiel durch Verschrauben. Der innen liegende erfindungsgemäße Flansch nimmt dabei die Schrauben in Gewindebohrungen auf und überträgt die Kräfte, nämlich die äußeren mechanischen Lasten und die Anpresskräfte für die Dichtung. Der innen liegende Flansch verpresst sowohl die Dichtung als auch die den Flansch umgreifende Hohlstruktur gegen den Flansch des zu verbindenden Bauteils. Ein Schweißprozess ist hierfür nicht notwendig. Um die Dichtigkeit des Systems zu gewährleisten, kann zwischen der den Flansch auf der dem Abgas abgewandten Seite umgreifenden Hohlstruktur und einem Flansch eines zu verbindenden Bauteils eine Dichtung angeordnet werden. Kumulativ oder alternativ wird eine Dichtung unterhalb der Köpfe von Schrauben angebracht, mit denen der im Inneren der rohrartigen Hohlstruktur angeordnete Flansch und der Flansch des zu verbindenden Bauteils miteinander verschraubt werden. Außerdem ist es sinnvoll, wenn die Gewindelöcher in dem im Inneren der rohrartigen Hohlstruktur angeordneten Flansch als Sacklöcher ausgeführt sind.
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Der Flansch kann sowohl ein Einlass- als auch ein Auslassflansch für eine rohrartige Hohlstruktur sein. Insbesondere bei Abgaskrümmern, die direkt am Motorblock sitzen, wird der Einlassflansch (Kopfflansch) jedoch regelmäßig von außen über Schrauben zugänglich sein müssen, damit der Krümmer mit dem Motorblock verschraubt werden kann. Außerdem sind bei einem Kopfflansch die Schweißnähte nicht ganz so kritisch wie beim Schussflansch, da der Kopfflansch durch den Kontakt zum wassergekühlten Zylinderkopf des Motors ebenfalls gekühlt wird. Der erfindungsgemäß innen liegende Flansch wird bei einem Krümmer daher der Auslassflansch (Schussflansch) sein. Insbesondere bei Katalysatorgehäusen können aber sowohl Einlass als auch Auslassflansch innen liegend sein. Da sich der innen liegende Flansch durch die Erwärmung aufgrund des direkten Kontaktes mit dem heißen Abgas ausdehnt, wird vorgeschlagen, dass für den Flansch ein Werkstoff eingesetzt wird, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient niedriger ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffs der Hohlstruktur.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Figuren genauer beschrieben. Dabei zeigen:
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1 im Längsschnitt eine Anordnung (10) zur Führung von Abgas gemäß dem Stand der Technik,
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2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Anordnung (11) zur Führung von Abgas und
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3 einen Längsschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Anordnung (30) zur Führung von Abgas.
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1 zeigt eine Anordnung zur Führung von Abgas gemäß dem Stand der Technik. Die Anordnung (10) ist im Längsschnitt dargestellt. Sie besteht in diesem Fall aus zwei Schalen (3) und (4), die ineinander gesteckt und außenumfänglich miteinander über eine Schweißnaht (5) verschweißt sind und so die Abgas führende rohrartige Hohlstruktur bilden. Abgas tritt in Pfeilrichtung in die Schale (4) ein und in Pfeilrichtung aus der Schale (3) wieder aus. Die Schale (4) ist daher in einen Einlassflansch (6) eingesteckt und mit diesem Einlassflansch (6) über eine innen liegende Schweißnaht (7) verbunden. Die andere Schale (3) ist in einen Auslassflansch (1) eingesteckt und mit diesem Auslassflansch (1) über eine innen liegende Schweißnaht (2) verbunden. In dem Auslassflansch (1) sind exemplarisch Bohrungen (8, 9) für Schrauben dargestellt, um den Auslassflansch (1) wiederum mit einem anderen nicht dargestellten Bauteil verbinden zu können. Im Einlassflansch (6) sind die Durchgänge für Schrauben nicht weiter gezeigt. Die innen liegenden Schweißnähte (2) und (7) bilden die größte Schwachstelle der Anordnung (10). Zum einen können beim Schweißen Schweißspritzer in den Innenraum gelangen. Zum anderen müssen die Flansche (1) und (6) alle Kräfte wie äußere mechanische Lasten und Anpresskräfte übertragen. Wird die Anordnung (10), die über die Flansche (1) und (6) festgelegt ist, auf Biegung beansprucht, treten speziell in den Schweißnähten (2) und (7) die größten Spannungen auf. Das Flächenträgheitsmoment ist ungünstig.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung (11) im Längsschnitt. Der Einlassflansch (6) entspricht noch dem Stand der Technik. Der Auslassflansch (14) ist jetzt jedoch erfindungsgemäß innerhalb der Anordnung (11) angeordnet und wird dabei auf seiner Seite (140) direkt vom Abgas angeströmt. Abgas tritt in Pfeilrichtung über den Einlassflansch (6) in die Anordnung (11) ein und in Pfeilrichtung aus der Anordnung (11) über den Auslassflansch (14) wieder aus. Dabei trifft das Abgas unvermeidbar wie über die weiteren zwei schwarzen Pfeile dargestellt, auf der Seite (140) direkt auf den Auslassflansch (14). Die Anordnung (11) besteht aus zwei Schalen (12) und (13), die über eine außen liegende umlaufende Schweißnaht (120) miteinander gefügt sind. Die Schale (12), die den Auslassflansch aufnimmt, ist im Vorfeld so gebogen worden, dass sie den Auslassflansch (14) auf der dem Abgas abgewandten Seite (141) außen umgreift. Dies ist jedoch nur ein Ausführungsbeispiel. Genauso gut könnte die Anordnung (11) beispielsweise aus einem einteiligen, gegebenenfalls verformten, zum Beispiel hydrogeformten Rohr oder einer anderen, noch komplexeren Schalenkonstruktion bestehen. Der innen liegende Flansch (14) muss jedoch von einer Seite in die Anordnung (11) einführbar sein. Im Falle der 2 wird der Auslassflansch (14) in die Schale (12) eingelegt und mit dieser Schale (12) vorläufig lagefixiert, bevor die Schale (12) mit der Schale (13) verbunden wird. Die vorläufige Lagefixierung kann dabei durch ein Clinchen oder ein Punktschweißen erfolgen. Ebenso wird der Einlassflansch (6) mit der anderen Schale (13) verschweißt, bevor die Schale (13) mit der Schale (12) verbunden wird. Wird der Einlassflansch (6) vor dem Schließen der Anordnung (11) verschweißt, bleiben eventuelle Schweißspritzer sichtbar und können entfernt werden. Alternativ kann aufgrund der gegebenen Zugänglichkeit auch durch entsprechende Abdeckmaßnahmen ein Anhaften von Schweißspritzern vermieden werden. Nach dem Schließen der Anordnung (11) über die umlaufende äußere Schweißnaht (120) ist die erfindungsgemäße Anordnung (11) fertig gestellt. Der Auslassflansch (14) ist nur vorläufig fixiert. Sobald jedoch die Anordnung (11) mit einem nur ansatzweise dargestellten Anschlussbauteil (16) über dessen Einlassflansch (15) verbunden wird, werden sowohl der Flansch (15) des Anschlussbauteils (16) als auch die Wand der Schale (12) und der innen liegende Flansch (14) der erfindungsgemäßen Anordnung (11) über eine Montageschraube (19) miteinander verpresst. Im verschraubten Zustand ist der innen liegende Auslassflansch (14) durch die Anpresskräfte unverlierbar und betriebssicher mit der Anordnung (11) verbunden. In der 2 ist nur eine Montageschraube (19) dargestellt, die in eine Bohrung (20) eingeschraubt ist. Die zweite Bohrung (21) dient mit dem Gewinde (22) zur Aufnahme einer weiteren nicht näher dargestellten Montageschraube. Da der Auslassflansch (14) auf der Seite (140) direkt vom Abgas angeströmt wird, werden auch die Bohrungen (20) und (21) direkt vom Abgas angeströmt. Um hier einen unerwünschten Abgasaustritt zu vermeiden, wird die Montageschraube (19) erfindungsgemäß abgedichtet. Besonders vorteilhaft wird in die Ausgleichselemente für den Schraubenkopf, also zum Beispiel in eine Unterlegscheibe (18), die Abdichtfunktion integriert. Alternativ oder kumulativ wird eine Dichtung (17) außerhalb des Verschraubungsbereichs zwischen der den innen liegenden Flansch (14) auf der dem Abgas abgewandten Seite (141) umgreifenden Schale (12) und dem Flansch (15) des zu verbindenden Bauteils (16) angeordnet. Eine weitere Möglichkeit, unerwünschte Abgasverluste durch Abgasaustritt aus den Bohrungen (20, 21) für die Montageschrauben (19) zu vermeiden, besteht darin, die Bohrungen als Sacklöcher auszuführen, so dass die Bohrung nicht bis auf die vom Abgas angeströmte Seite (140) des Flansches (14) vordringt. Dann muss nur noch die Verbindung zwischen den beiden Abgas führenden Anordnungen (11) und (16) Abgasdicht ausgeführt werden.
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3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung (30) im Längsschnitt. Der Einlassflansch (6) ist wiederum in konventioneller Art mit der einen Schale (13) verbunden. Der Auslassflansch (14) liegt innerhalb der Abgas führenden Anordnung (30). Die den Auslassflansch (14) aufnehmende Schale (23) umgreift den Auslassflansch (14) auf der dem Abgas abgewandten Seite (141). Die Schale (23) weist eine Einprägung (24) auf, die dazu dient, den Auslassflansch (14) beim Montageprozess klemmend zu haltern. Wird der Auslassflansch (14) beim Einlegen in die Schale (23) in die Einprägung (24) klemmend gepresst, ist überhaupt kein weiterer Fügeprozess für den Flansch (14) notwendig, weder ein vorläufiges Fixieren, noch ein Schweißprozess wie im Stand der Technik. Anschließend wird die Anordnung (30) über die umlaufende Schweißnaht (120) geschlossen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung baut daher insgesamt kompakt, gut Wärme leitend, dauerhaltbar, sauber und kostengünstig.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Auslassflansch
- 2
- Schweißnaht
- 3
- Schale
- 4
- Schale
- 5
- Schweißnaht
- 6
- Einlassflansch
- 7
- Schweißnaht
- 8
- Bohrung
- 9
- Bohrung
- 10
- Anordnung zur Führung von Abgas
- 11
- Anordnung zur Führung von Abgas
- 12
- Schale
- 13
- Schale
- 14
- Auslassflansch
- 15
- Flansch
- 16
- Anzubindende Bauteil
- 17
- Dichtung
- 18
- Ausgleichselement mit Dichtfunktion
- 19
- Montageschraube
- 20
- Bohrung
- 21
- Bohrung
- 22
- Gewinde
- 23
- Schale
- 24
- Einprägung
- 30
- Anordnung zur Führung von Abgas
- 120
- Schweißnaht
- 140
- dem Abgas zugewandte Seite
- 141
- dem Abgas abgewandte Seite
