DE102009011379A1

DE102009011379A1 - Abgasbaugruppe

Info

Publication number: DE102009011379A1
Application number: DE102009011379A
Authority: DE
Inventors: Tobias Gockel; Uwe Fischer; Ralph Naubert; Jörg Horstmann; Frank Fetscher
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-03-06
Also published as: ITRM20100087A1; IT1398981B1; DE102009011379B4; US8826660B2; US20100223911A1; FR2942846A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasbaugruppe (1), welche einen Turbolader (4) und einen Abgaskrümmer (2) umfasst, wobei das Turboladergehäuse (3) einen sich in Richtung des Abgaskrümmers (2) erstreckenden Rohrsammler (5) aufweist, mit welchem Krümmerrohre (6) des Abgaskrümmers (2) verbindbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasbaugruppe umfassend ein Turboladergehäuse und einen Abgaskrümmer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Bei Mehrzylinder-Verbrennungsmotoren wird das Abgas der einzelnen Zylinder in Abgassammeleinrichtungen zusammengeführt. Zum bekannten Stand der Technik hierzu gehören Abgaskrümmer und Turboladergusskonstruktionen, die einstückig ausgeführt sind, um die Kosten für eine Verschraubung einzusparen ( DE 699 27 233 T2 ). Hierbei wird in Kauf genommen, dass für den Abgaskrümmer und den Turbolader derselbe Werkstoff, oft ein hochlegierter Edelstahlwerkstoff, verwendet werden muss. Da sich die Werkstoffauswahl immer nach der schwächsten Stelle im gesamten Modul richtet, ist dies ein erheblicher Kostenfaktor. Weiterhin nachteilig ist bei Guss-Krümmer-Turbolader-Modulen das hohe Gesamtgewicht, da bei Gusskonstruktionen, im Gegensatz zu Blechkonstruktionen, gewisse Mindestwandstärken nicht unterschritten werden können.
Bei anderen bekannten Ausführungen werden Abgaskrümmer und Turboladergehäuse mehrteilig ausgeführt und nachträglich miteinander verschweißt ( DE 10 2004 009 109 A1 ). Dabei ist der Abgaskrümmer häufig als luftspaltisolierter Abgaskrümmer ausgeführt. Dadurch können die Materialkosten für eine Abgasbaugruppe gesenkt und Gewicht eingespart werden. Allerdings stellt der Schweißnahtbereich zwischen dem Abgaskrümmer und dem Turboladergehäuse aus thermomechanischer Sicht eine Festigkeitsschwachstelle dar.
Der Erfindung liegt daher, ausgehend vom Stand der Technik, die Aufgabe zu Grunde, eine Abgasbaugruppe mit einem Abgaskrümmer und einem Turbolader aufzuzeigen, welche neben geringem Gewicht eine hohe thermomechanische Festigkeit sowie eine hohe Steifigkeit aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche 1 bis 11.
Den Kernpunkt der Erfindung bildet die Verbindung eines Turboladergehäuses mit einem Abgaskrümmer einer Abgasbaugruppe. Hierzu weist das Turboladergehäuse erfindungsgemäß einen sich in Richtung des Abgaskrümmers erstreckenden Rohrsammler auf, mit welchem Krümmerrohre des Abgaskrümmers in einem separaten Fertigungsschritt verbindbar sind. Dabei sind das Turboladergehäuse und der Rohrsammler in Form eines Gussteils ausgeführt, wobei der Rohrsammler aus einem sich in Richtung des Abgaskrümmers erstreckenden Bereich des Turboladergehäuses gebildet wird. Funktionell ist damit der Rohrsammler dem Abgaskrümmer zuzuordnen, gegenständlich dem Turbolader.
Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es zum einen, eine strömungsoptimierte Zusammenführung der Abgasströme der einzelnen Zylinder kompakt und kostengünstig darzustellen und zum anderen durch z. B.
Anformung eines Plateaus, eine fertigungstechnisch günstige Anbindung der Außenschale zu realisieren, die gleichzeitig hohen Festigkeitsanforderungen gerecht wird.
Zusammengefasst ergeben sich folgende Vorteile: niedriges Gewicht, strömungstechnisch günstige Gestaltung, Kompaktheit, bessere Festigkeit und Biegesteifigkeit, Reduzierung von Wärmeschutzmaßnahmen durch Luftspaltisolierung, Montage- und Logistikvorteile durch Entfall der Trennstelle/Dichtung, was zu einer Kostenoptimierung führt.
Die an den Rohrsammler angeschlossenen Bauteile des Abgaskrümmers bestehen zur Luftspaltisolierung jeweils aus Innenrohren und Außenschalen. Im Verbindungsbereich zwischen Abgaskrümmer und Turboladergehäuse weist der Rohrsammler Anschlussöffnungen zur Aufnahme der Krümmerrohre auf. Dabei wird die Verbindung zwischen dem jeweiligen Innenrohr und der entsprechenden Anschlussöffnung vorzugsweise über einen Schiebesitz realisiert.
Die Außenschalen sind erfindungsgemäß über die turboladerseitigen Enden der gasführenden Innenrohre hinaus verlängert und werden mit dem Turboladergehäuse derart zu einer gasdichten Einheit verschweißt, dass sowohl die Schiebesitze zwischen den Innenrohren und den Anschlussöffnungen des Rohrsammlers als auch der Rohrsammler selbst von den Außenschalen umschlossen werden und somit luftspaltisoliert sind.
Mithin ist durch das Vorhandensein einer Luftspaltisolierung eine Reduzierung von Wärmeschutzmaßnahmen im Bereich des Abgaskrümmers möglich.
Vorteilhafterweise kann für die Außenschale des Abgaskrümmers ein kostengünstiger Werkstoff mit kleinen Wandstärken eingesetzt werden, wodurch sowohl das Gesamtgewicht der Abgasbaugruppe als auch die Kosten reduziert werden können.
Außerdem entfällt durch die Schiebesitzverbindung der Innenrohre der Krümmerrohre mit dem Rohrsammler und die Ummantelung der Schiebesitzverbindung durch die Außenschalen die Schweißverbindung zwischen den Krümmerrohren und dem Rohrsammler, so dass hier eine besonders spannungsarme Verbindung realisiert werden kann.
Durch das über den Rohrsammler ermöglichte Eingreifen von Turboladergehäuse und Abgaskrümmer ineinander wird die Steifigkeit des gegossenen Turboladergehäuses auf den Abgaskrümmer übertragen. Die normalerweise eine Schwachstelle bildende Schweißnaht zwischen den Außenschalen des Abgaskrümmers und den Anschlussöffnungen des Turboladergehäuses liegt nicht mehr im direkten Verbindungsbereich, sondern ist gegenüber dem Schiebesitz und somit gegenüber den Anschlussöffnungen axial versetzt. Gleichzeitig wird durch die Außenschalen bereits ein Teil des Turboladergehäuses, der Rohrsammler, luftspaltisoliert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Turboladergehäuse ein flanschartiges Plateau auf. Über dieses Plateau ist eine geschweißte Anbindung an einen motorseitig der Krümmerrohre angeordneten und mit den Zylindern des Motors verbundenen Zylinderkopfflansch möglich. Diese Anbindung trägt zusätzlich zur hohen Biegesteifigkeit der Baugruppe bei. Dadurch ist es auch möglich, den Verbindungsbereich zwischen der Außenschale des Abgaskrümmers und dem Turboladergehäuse weit weg vom gasführenden Bereich anzuordnen, wodurch die thermomechanische Festigkeit im kritischen Schweißnahtbereich weiter verbessert werden kann.
Die erfindungsgemäße Abgasbaugruppe weist somit die Vorteile einer hohen Steifigkeit und thermomechanischen Festigkeit der einteiligen Gussausführung von Abgaskrümmer und Turboladergehäuse und die Vorteile des geringeren Gewichts und der geringeren Kosten der zweiteiligen Ausführungsform mit luftspaltisolierten Abgaskrümmer und gegossenem Turboladergehäuse auf.
Zusätzlich ermöglicht die Ausführung des Rohrsammlers als Gussteil die Realisierung unterschiedlicher strömungstechnischer Varianten. Eine dieser Varianten besteht beispielsweise darin, den Rohrsammler derart auszugestalten, dass eine zweiflutige Anströmung des Turbinenrads ermöglicht wird. Hierzu wird der Rohrsammler in seiner Längsrichtung in zwei gasdicht voneinander getrennte Kanäle unterteilt. Hierbei können beispielsweise die Abgase aus den Krümmerrohren der Zylinder 1 und 4 des Abgaskrümmers eines Vierzylindermotors getrennt von den Abgasen aus den Krümmerrohren der Zylinder 2 und 3 zum Turbinenrad geführt werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt:
1 eine Abgasbaugruppe mit einem Turboladergehäuse und einem Abgaskrümmer, wobei von dem Abgaskrümmer nur Innenteile dargestellt sind (Außenschalen sind nicht dargestellt);
2 die Darstellung aus 1 mit den Außenschalen des Oberteils des Abgaskrümmers;
3 eine perspektivische Rückansicht der 2 und
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels.
1 zeigt eine Abgasbaugruppe 1 mit einem Abgaskrümmer 2 eines Mehrzylindermotors, der mit einem Turboladergehäuse 3 eines Turboladers 4 verbunden ist.
Hierbei weist das Turboladergehäuse 3 einen Rohrsammler 5 auf, welcher luftspaltisolierte Krümmerrohre 6 des Abgaskrümmers 2 zusammenführt. Dabei wird der Rohrsammler 5 durch einen verlängerten Bereich des Turboladergehäuses 3 gebildet und weist vier Anschlussöffnungen 7 zur Aufnahme von Innenrohren 8 von Krümmerrohren 6 auf. Dabei erfolgt die Verbindung zwischen den Innenrohren 8 und dem Rohrsammler 5 in den Anschlussöffnungen 7 über hier nicht näher dargestellte Schiebesitze.
An der Umfangsseite 9 des Turboladergehäuses 3 ist ein flanschartiges Plateau 10 angeordnet. Über dieses Plateau 10 kann das Turboladergehäuse 3 an einen Zylinderkopfflansch 11 angeschweißt werden.
2 zeigt den Abgaskrümmer 2 mit einer oberen Außenschale 12 und dem Luftspalt 13 zwischen den Innenrohren 8 und Außenschale 12 sowie zwischen dem Rohrsammler 5 und der Außenschale 12. Hierbei sind sowohl die Innenrohre 8 als auch der Rohrsammler 5 oberseitig komplett von der oberseitigen Außenschale 12 umschlossen.
In 3 ist auch die zweite, unterseitige Außenschale 14 abgebildet, welche in Verbindung mit der ersten Außenschale 12 sowohl die Krümmerrohre 6, als auch den Rohrsammler 5 vollständig umschließt und somit den Rohrsammler 5 ebenfalls vollständig luftspaltisoliert. Dabei ist die Außenschale 14 mit dem Turboladergehäuse 3 im Bereich des Plateaus 10 verschweißt.
Die Anbindung des Turboladergehäuses 3 an den Zylinderkopfflansch 11 erfolgt über eine Schweißverbindung. Dabei ist die Schweißnaht 15 zwischen einer zu den Krümmerrohren 8 weisenden Fläche 16 des Plateaus 10 und einer zum Rohrkrümmer 5 weisenden Fläche 17 des Zylinderkopfflansches 11 angeordnet. Dies erhöht die Steifigkeit der Abgasbaugruppe 1 zusätzlich.
4 zeigt in stark vereinfachter Darstellung ein Turboladergehäuse 3 mit einem Rohrsammler 5, wobei beide Komponenten Bestandteile eines gemeinsamen Gussteils sind. Bei dieser Ausführungsform ist der Rohrsammler 5 mittels einer zusätzlichen Schweißverbindung 18 an einem Angussstück 19 des Rohrsammlers 5 mit dem Zylinderkopfflansch 11 verschweißt. Das Angussstück befindet sich im Abstand zum Plateau 10.

1: Abgasbaugruppe
2: Abgaskrümmer
3: Turboladergehäuse
4: Turbolader
5: Rohrsammler
6: Krümmerrohr
7: Anschlussöffnung
8: Innenrohr
9: Umfangsseite
10: Plateau
11: Zylinderkopfflansch
12: Außenschale
13: Luftspalt
14: Außenschale
15: Schweißnaht
16: Fläche
17: Fläche
18: Schweißverbindung
19: Angussstück

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 69927233 T2 [0002]
- DE 102004009109 A1 [0003]

Claims

Abgasbaugruppe umfassend einen mit einem Turboladergehäuse (3) verbundenen Abgaskrümmer (2), wobei das Turboladergehäuse (3) einen sich in Richtung des Abgaskrümmers (2) erstreckenden Rohrsammler (5) aufweist, mit welchem Krümmerrohre (6) des Abgaskrümmers (2) verbindbar sind.
Abgasbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turboladergehäuse (3) und der Rohrsammler (5) aus einem gemeinsamen Gussteil bestehen.
Abgasbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (2) luftspaltisoliert ist.
Abgasbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrsammler (5) luftspaltisoliert ist.
Abgasbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Innenrohre (7) der Krümmerrohre (6) über einen Schiebesitz mit dem Rohrsammler (5) verbunden sind.
Abgasbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Außenschalen (12, 14) des Abgaskrümmers (2) den Rohrsammler (5) umschließen.
Abgasbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschalen (12, 14) des Abgaskrümmers (2) mit dem Turboladergehäuse (3) verschweißt sind.
Abgasbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrsammler (5) in Längsrichtung in zwei gasdicht voneinander getrennte Zuführungen unterteilt ist.
Abgasbaugruppe nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Turboladergehäuse (3) ein Plateau (10) zur Verbindung mit der Außenschale (12, 14) angeformt ist.
Abgasbaugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrsammler (5) über eine Schweißverbindung (18), die im Abstand zu dem Plateau (10) angeordnet ist, mit einem Zylinderkopfflansch (11) verbunden ist.
Abgasbaugruppe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Plateau (10) im Übergangsbereich zwischen dem Turboladergehäuse (3) und dem Rohrsammler (5) angeformt ist, wobei das Plateau (10) mit dem Zylinderkopfflansch (11) verschweißt ist.