DE102009033879A1

DE102009033879A1 - Brennkraftmaschine und Abgaskrümmer für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009033879A1
Application number: DE102009033879A
Authority: DE
Inventors: Jason Cox
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2029-07-18
Also published as: DE102009033879B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit einem mit Schraubflanschen (13, 14) befestigten Abgaskrümmer (10), wobei die Schraubflansche (13, 14) parallel zueinander ausgerichtete Stirnflächen (18) aufweisen. Die Erfindung betrifft weiter einen Abgaskrümmer (10) mit zwei in einem seitlichen Abstand voneinander angeordneten eintrittsseitigen Schraubflanschen (13, 14), die zwei zueinander parallele Stirnflächen (18) und mindestens zwei Schraubenöffnungen (17) aufweisen. Damit zum Ausgleich von thermisch bedingten Dehnungen oder Kontraktionen keine Kompensatorelemente benötigt werden, wird für die Brennkraftmaschine (1) erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass mindestens einer der Schraubflansche (13, 14) entlang seiner Stirnfläche (18) in Bezug zur Brennkraftmaschine (1) verschiebbar ist, während für den Abgaskrümmer (1) erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, dass die Schraubenöffnungen (17) von mindestens einem der beiden Schraubflansche (13, 14) als Langlöcher ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen Abgaskrümmer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
Brennkraftmaschinen in V-Bauweise sind in der Regel mit zwei getrennten Abgaskrümmern ausgestattet. Die beiden Abgaskrümmer weisen gewöhnlich mehrere gekrümmte Rohrabschnitte auf, deren Einlassenden mit Schraubflanschen versehen und mittels der Schraubflansche am benachbarten Zylinderkopf befestigt sind. Von den Schraubflanschen aus erstrecken sich die Rohrabschnitte nach unten zu, wo sie sich zu einem Sammelrohr vereinigen. Die Abgase aus den beiden Abgaskrümmern werden in den meisten Fällen in ein gemeinsames Auspuffrohr geleitet, mit dem die Auslassenden der Sammelrohre der beiden Abgaskrümmer verbunden sind. Aufgrund des verhältnismäßig großen seitlichen Abstands der beiden an entgegengesetzten Außenseiten der Brennkraftmaschine verlaufenden Sammelrohre muss zwischen diesen und dem Auspuffrohr zum Ausgleich von thermisch bedingten Dehnungen und Kontraktionen beim Aufheizen bzw. Abkühlen der Abgaskrümmer mindestens ein Kompensatorelement vorgesehen werden, um Spannungen innerhalb des Abgaskrümmers abzubauen und auf diese Weise langfristig das Auftreten von Rissen zu verhindern. Die Notwendigkeit von zwei getrennten Abgaskrümmern sowie von zusätzlichen Kompensatorelementen vergrößert jedoch zum einen die Anzahl der Bauteile und damit den Lagerhaltungsaufwand und macht zum anderen auch einen größeren Montageaufwand erforderlich, weshalb eine geringere Anzahl von Bauteilen erstrebenswert ist.
Weiter gibt es seit einiger Zeit bei Brennkraftmaschinen die Bestrebung, Teile von Abgaskrümmern in einen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine zu integrieren, wie dies zum Beispiel in der DE 11 2006 001 468 T5 für einen V-Motor offenbart ist. Dadurch ist es zum einen möglich, die in jeder Zylinderbank erzeugten Abgase durch eine einzige Abgasauslassöffnung aus dem zugehörigen Zylinderkopf herauszuführen. Zum anderen können die Abgasauslassöffnungen der beiden Zylinderköpfe auch von den entgegengesetzten Außenseiten der Zylinderköpfe weg verlegt werden, wie in der DE 11 2006 001 468 T5 offenbart.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und einen Abgaskrümmer der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass zum Ausgleich von thermisch bedingten Dehnungen oder Kontraktionen keine Kompensatorelemente benötigt werden.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Brennkraftmaschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens einer der Schraubflansche des Abgaskrümmers entlang seiner Stirnfläche in Bezug zur Brennkraftmaschine verschiebbar ist.
Um eine solche Verschiebbarkeit von mindestens einem der beiden Schraubflansche in Bezug zur Brennkraftmaschine zu ermöglichen, ist der erfindungsgemäße Abgaskrümmer dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenöffnungen von mindestens einem der beiden Schraubflansche als Langlöcher ausgebildet sind.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die im Abgaskrümmer beim Aufheizen bzw. Abkühlen auftretenden thermischen Dehnungen und Kontraktionen statt durch ein oder mehrere Kompensatorelemente durch eine Verschiebung von mindestens einem der Schraubflansche entlang seiner Stirnfläche in Bezug zum benachbarten Zylinderkopf auszugleichen.
Die Erfindung findet bevorzugt bei Brennkraftmaschinen in V-Bauweise mit zwei Zylinderköpfen und einem durch zwei Schraubflansche an den beiden Zylinderköpfen befestigten Abgaskrümmer Verwendung, wobei mindestens einer der beiden Schraubflansche entlang seiner Stirnfläche in Bezug zum benachbarten Zylinderkopf verschiebbar ist. Am besten sind jedoch beide Schraubflansche entlang ihrer Stirnflächen in Bezug zum benachbarten Zylinderkopf verschiebbar.
Bei den beiden Zylinderköpfen handelt es sich bevorzugt um Zylinderköpfe mit integrierten Abgaskanälen, die sich im Inneren des Zylinderkopfs vereinigen, so dass die beiden Zylinderköpfe jeweils nur noch eine einzige Abgasauslassöffnung aufweisen, an der einer der beiden Schraubflansche befestigt ist. Derartige Zylinderköpfe werden auch als Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer bezeichnet. Die Abgasauslassöffnungen werden bevorzugt an benachbarten Stirnenden der beiden Zylinderköpfe angeordnet, da sich auf diese Weise die parallele Ausrichtung der Stirnflächen der beiden Schraubflansche sehr einfach verwirklichen lässt.
Um die Herstellung der Schraubflansche und die Verschiebung des mindestens einen Schraubflanschs zu erleichtern, sind die Stirnflächen der Schraubflansche vorzugsweise ebenso wie gegenüberliegende, zur Befestigung der Schraubflansche dienende Flanschfläche der Zylinderköpfe eben. Die Stirnflächen der Schraubflansche sind zweckmäßig senkrecht zu eine Drehachse der Kurbelwelle ausgerichtet.
Je nach Ausgestaltung der Brennkraftmaschine können die Stirnflächen der Schraubflansche in einer gemeinsamen Ebene oder in zwei parallel zueinander versetzten Ebenen liegen, wie zum Beispiel im Fall eines Bankversatzes der beiden Zylinderköpfe.
Um die Verschiebung des mindestens einen Schraubflanschs in Richtung der größten thermischen Dehnung oder Kontraktion zu ermöglichen, sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass Längsachsen der Langlöcher in einer Stirnseitenansicht der Brennkraftmaschine auf einer Geraden durch die Mitten der Abgasauslassöffnungen der beiden Zylinderköpfe liegen.
Um die Verschiebung des mindestens einen Schraubflanschs zu erleichtern, werden die zur Befestigung des Schraubflanschs dienenden Schrauben oder Muttern vorzugsweise mittels eines Drehmomentschlüssels bis zu einem vorbestimmten Drehmoment angezogen, das trotz der Verschiebbarkeit für eine ausreichende Abdichtung der Flanschverbindung sorgt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Oberseitenansicht einer Brennkraftmaschine in V-Bauweise mit einem an den Stirnseiten der beiden Zylinderköpfe angeflanschten Abgaskrümmer;
2 eine ähnliche Ansicht wie 1, die in perspektivischer Darstellung den Verlauf von Abgaskanälen innerhalb der beiden Zylinderköpfe und von einem Teil des Abgaskrümmers zeigt;
3 eine Schnittansicht eines an die Zylinderköpfe angrenzenden Teils des Abgaskrümmers;
4 eine Stirnseitenansicht von einem zur Befestigung an einem der Zylinderköpfe dienenden Schraubflansch des Abgaskrümmers.
Die in 1 und 2 in Draufsicht schematisch und vereinfacht dargestellte 6-Zylinder-Brennkraftmaschine 1 in V-Bauweise mit zwei Zylinderbänken umfasst ein Zylinderkurbelgehäuse 2, zwei auf dem Zylinderkurbelgehäuse 2 montierte Zylinderköpfe 3, sowie einen Abgastrakt 4, durch den die Abgase aus der Brennkraftmaschine 1 abgeführt werden.
Wie in 2 dargestellt, umschließt jeder der beiden Zylinderköpfe 3 eine Mehrzahl von integrierten, d. h. im Inneren des Zylinderkopfs 3 ausgesparten Abgaskanälen in Form von einem Sammelkanal 5 und insgesamt sechs zum Sammelkanal 5 führenden Zweigkanälen 6, die jeweils eines von zwei Auslassventilen 7 jedes Zylinders einer Zylinderbank mit dem Sammelkanal 5 verbinden. Die Zweigkanäle 6 münden entweder direkt in den Sammelkanal 5 oder vereinigen sich paarweise, bevor sie in den Sammelkanal 5 münden.
Die beiden Sammelkanäle 5 im Inneren von jedem Zylinderkopf 3 führen jeweils zu einer einzigen Abgasauslassöffnung 8 (3), die von einer plan geschliffenen Flanschflächen 9 umgeben ist. Die beiden Abgasauslassöffnungen 8 sind an benachbarten Stirnenden der beiden Zylinderköpfe 3 angeordnet und liegen in einer zur Drehachse der Kurbelwelle senkrechten Ebene. Die Flanschflächen 9 können entweder infolge eines Bankversatzes der beiden Zylinderbänke in axialer Richtung einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 1 etwas gegeneinander versetzt sein, wie in 1 dargestellt, oder können miteinander fluchten, wie in 3 dargestellt. Grundsätzlich können die Flanschflächen 9 der beiden Abgasauslassöffnungen 8 auch an anderen Stellen der beiden Zylinderköpfe 3 angeordnet sein und andere Ausrichtungen aufweisen, solange sie untereinander parallel ausgerichtet sind.
Wie am besten in 1 bis 3 dargestellt, umfasst der Abgastrakt 4 einen einzigen Abgaskrümmer 10, der die beiden Abgasauslassöffnungen 8 der zwei Zylinderköpfe 3 mit einem gemeinsamen Auspuffrohr (nicht dargestellt) verbindet. Der Auspuffkrümmer 10 besteht aus einem in Draufsicht etwa Y-förmigen Rohrstück (3), dessen Fußteil 11 mit dem Auspuffrohr verbunden ist und dessen V-förmig divergierende Armteile 12 an ihren freien Enden jeweils mit einem Schraubflansch 13, 14 versehen sind, d. h. einem zum Festschrauben des Armteils 12 am Zylinderkopf 3 dienenden erweiterten Ansatz.
Jeder der beiden Schraubflansche 13, 14 besteht aus einem einstückig mit dem Armteil 12 verbundenen verdickten Flanschteil 15, der am freien Ende des zugehörigen Armteils 12 angeformt ist. Der Flanschteil 15 umfasst zwei nach entgegengesetzten Seiten über den Armteil 12 überstehende längliche Vorsprünge 16 (4), von denen jeder eine Schraubenöffnung 17 begrenzt, wie am besten in 3 und 4 dargestellt. Die beiden Vorsprünge 16 und das freie Ende des Armteils 12 weisen eine gemeinsame, vom Fußteil 11 des Abgaskrümmers 10 abgewandte ebene Stirnfläche 18 auf, die eine Abgaseintrittsöffnung 19 des Armteils 12 umgibt.
Zwischen diese Stirnfläche 18 und die gegenüberliegende Flanschfläche 9 des Zylinderkopfs 3 wird bei der Montage des Abgaskrümmers 10 eine ebene Dichtung 20 eingelegt, deren Form der Form der Stirnfläche 18 entspricht und die im Bereich der Schraubenöffnungen 17 der Schraubflansche 13, 14 ebenfalls mit zwei Durchgangsöffnungen versehen ist.
Die beiden Schraubenöffnungen 17 jedes Schraubflanschs 13, 14 sind als Langlöcher ausgebildet, deren Längsachsen in einer Stirnseitenansicht der Brennkraftmaschine auf einer Geraden durch die Mitten der beiden Abgasauslassöffnungen 8 bzw. der beiden Abgaseintrittsöffnungen 19 des Abgaskrümmers 10 liegen. Die Länge der Langlöcher ist mindestens doppelt so groß wie deren Breite.
Zur Montage jedes Schraubflanschs 13, 14 an der Flanschfläche 9 des zugehörigen Zylinderkopfs 3 dienen jeweils zwei in Gewindebohrungen 21 des Zylinderkopfs 3 eingeschraubte kurze Gewindestangen 22, deren über den Zylinderkopf 3 überstehende Abschnitte durch eine der Durchgangsöffnungen der Dichtung 20 und eines der Langlöcher 17 der Schraubflansche 13, 14 hindurchgeführt werden, bevor eine Befestigungsmutter 23 auf das freie Ende der Gewindestange 22 aufgeschraubt wird. Die Muttern 23 werden vorzugsweise mit einem Drehmomentschlüssel bis zu einem vorbestimmten Drehmoment festgezogen, das einerseits eine Abdichtung der Flanschverbindung um die Abgasauslassöffnung 8 des Zylinderkopfs 3 bzw. die Abgaseintrittsöffnung 19 des Abgaskrümmers 10 herum sicherstellt, andererseits jedoch eine Verschiebung der beiden Schraubflansche 13, 14 in Richtung der Doppelpfeile D in 1 und 3, d. h. entlang der Längsachsen der Langlöcher 17 gestattet. Dadurch können ohne eine Notwendigkeit von Kompensatoren Dehnungen bzw. Kontraktionen ausgeglichen werden, die bei einer Aufheizung bzw. Abkühlung des Abgaskrümmers 10 infolge des verhältnismäßig großen Abstands der beiden Abgasauslassöffnungen 8 und damit der verhältnismäßig großen Rohrlänge der Armteile 12 in der Ebene der 3 auftreten, wie in 1 schematisch durch einen Doppelpfeil P dargestellt.
Anders als bei dem in der Zeichnung dargestellten Abgaskrümmer 10 wäre es denkbar, nur einen der beiden Schraubflansche 13, 14 verschiebbar zu machen, indem man die Schraubenöffnungen 17 des anderen als Bohrungen ausbildet.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Zylinderkurbelgehäuse
3: Zylinderköpfe
4: Abgastrakt
5: Sammelkanäle
6: Zweigkanäle
7: Auslassventile
8: Abgasaustrittsöffnungen
9: Flanschflächen
10: Abgaskrümmer
11: Fußteil Abgaskrümmer
12: Armteile Abgaskrümmer
13: Schraubflansch
14: Schraubflansch
15: Flanschteil
16: Vorsprünge
17: Schraubenöffnungen
18: Stirnflächen
19: Abgaseintrittsöffnungen
20: Dichtungen
21: Gewindebohrungen
22: Gewindestangen
23: Muttern

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 112006001468 T5 [0003, 0003]

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer, der zwei an der Brennkraftmaschine befestigte Schraubflansche aufweist, wobei die Schraubflansche parallel zueinander ausgerichtete Stirnflächen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Schraubflansche (13, 14) entlang seiner Stirnfläche (18) in Bezug zur Brennkraftmaschine (1) verschiebbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Schraubflansche (13, 14) entlang ihrer Stirnflächen (18) in Bezug zur Brennkraftmaschine (1) verschiebbar sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine V-Bauweise mit zwei Zylinderköpfen (3) und einem einzigen, durch zwei Schraubflansche (13, 14) an den beiden Zylinderköpfen (3) befestigten Abgaskrümmer (10), wobei mindestens einer der beiden Schraubflansche (13, 14) entlang seiner Stirnfläche (18) in Bezug zum benachbarten Zylinderkopf (3) verschiebbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Schraubflansche (13, 14) entlang ihrer Stirnflächen (18) in Bezug zum benachbarten Zylinderkopf (3) verschiebbar sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zylinderköpfe (3) jeweils eine einzige Abgasauslassöffnung (8) aufweisen, die von der Stirnfläche (18) von einem der Schraubflansche (13, 14) umgeben ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasauslassöffnungen (8) an benachbarten Stirnenden der beiden Zylinderköpfe (3) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (10) allgemein Y-förmig ist, wobei die beiden Schraubflansche (13, 14) an den Armen des Y angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen (18) der Schraubflansche (13, 14) eben sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen (18) der Schraubflansche (13, 14) in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schraubflansch (13, 14) mindestens zwei Schraubenöffnungen (17) aufweist, und dass die Schraubenöffnungen (17) von mindestens einem der beiden Schraubflansche (13, 14) als Langlöcher ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Stirnseitenansicht der Brennkraftmaschine Längsachsen der Langlöcher (17) auf einer Geraden durch die Mitten der Abgasauslassöffnungen (8) der beiden Zylinderköpfe liegen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine von der Stirnfläche (18) jedes Schraubflanschs (13, 14) aufgespannte Ebene senkrecht zur Drehachse der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubflansche (13, 14) mit Gewindestangen (22) und Muttern (23) befestigt sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Befestigung der Schraubflansche (13, 14) dienende Schrauben oder Muttern (23) mit einem vorbestimmten Drehmoment angezogen sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine gegen die Stirnfläche (18) jedes Schraubflanschs (13, 14) anliegende Dichtung (20).
Abgaskrümmer mit zwei in einem seitlichen Abstand voneinander angeordneten eintrittseitigen Schraubflanschen, die zwei zueinander parallele Stirnflächen und mindestens zwei Schraubenöffnungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenöffnungen (17) von mindestens einem der beiden Schraubflansche (13, 14) als Langlöcher ausgebildet sind.
Abgaskrümmer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenöffnungen (17) beider Schraubflansche (13, 14) als Langlöcher ausgebildet sind.
Abgaskrümmer nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass Längsachsen der Langlöcher (17) auf einer Geraden durch die Mitten zweier Abgaseintrittsöffnungen (19) des Abgaskrümmers (10) liegen.
Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Langlöcher (17) eine Länge aufweisen, die mindestens dem Doppelten ihrer Breite entspricht.