DE102011118862A1

DE102011118862A1 - Modularer Flansch

Info

Publication number: DE102011118862A1
Application number: DE102011118862A
Authority: DE
Inventors: Michael Weidner; Andreas Steigert; Bernd Fuhrmann; Rolf Engel; Adrien Lehmann
Original assignee: Tenneco GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2031-11-19
Also published as: WO2013072477A1; US20140319830A1; DE102011118862B4; CN104040134A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrteiligen Gasrohrflansch 1 zum Anschließen an einen Gegenflansch 2 einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer als Außenflansch ausgebildeten Flanschplatte 1.1 und mit einem darin aufnehmbaren Flanschinnenteil 1.2 zur Befestigung eines in Strömungsrichtung nachgeschalteten und in Strömungsverbindung stehenden Gasrohres 7, wobei die Flanschplatte 1.1 mindestens eine eine Innenfläche 5 und einen Innendurchmesser Di aufweisende Aussparung 3 für das Flanschinnenteil 1.2 und eine zumindest mittelbar an den Gegenflansch 2 anlegbare Montagefläche 1.5 besitzt, wobei das Flanschinnenteil 1.2 eine mit der Innenfläche 5 korrespondierende Außenfläche 4 mit einem Außendurchmesser Da aufweist. Die Außenfläche 4 und die Innenfläche 5 weisen eine in Strömungsrichtung verjüngende Grundform auf, wobei die Außenfläche 4 und die Innenfläche 5 beim Verspannen gegen den Gegenflansch 2 zumindest teilweise in einer radial zu einer Mittelachse 3.1 der Außenfläche 4 und/oder der Innenfläche 5 verlaufenden Richtung R relativ zueinander verspannbar sind. Die Erfindung bezieht sich zudem auf eine Abgasanlage mit einem solchen Gasrohrflansch 1 und ein Herstellungsverfahren für denselben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrteiligen Gas-, Abgas- oder Gemischrohrflansch zum Anschließen an einen Gegenflansch wie einen Zylinderkopfflansch oder einen Abgasturboladerflansch einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer einen Außenflansch bildenden Flanschplatte, die mindestens eine eine Mittelachse und einen Innendurchmesser aufweisende Aussparung für ein Flanschinnenteil besitzt, und mit einem Flanschinnenteil zur Befestigung eines in Strömungsrichtung nachgeschalteten, in Strömungsverbindung stehenden Gasrohres wie ein Abgaskrümmerrohr oder eine Frischluftleitung, der innerhalb der Aussparung gelagert ist, wobei das Flanschinnenteil eine mit der Aussparung korrespondierende Außenfläche mit einem Außendurchmesser Da aufweist. Als Gegenflansch kommen insbesondere der Zylinderkopf oder der Abgasturbolader oder sonstige Rohrflansche auf der Abgas- und/oder Frischluftseite einer Brennkraftmaschine wie ein Katalysator in Betracht.
Es ist bereits ein Flanschring einer Brennkraftmaschine aus der DE 196 42 692 C2 bekannt, der eine Aussparung für ein Abgasrohr besitzt und der einen Verstärkungsring aufweist, der mittelbar über dem Abgasrohr in der Aussparung gelagert ist, wobei ein Abgasinnenrohr vorgesehen ist, das aus temperaturbeständigerem Material gebildet ist als das Abgasrohr, und wobei der Verstärkungsring und das Abgasrohr eine teilkugelförmig ausgebildete Außenfläche aufweisen, die mit einer Innenfläche des Flanschrings korrespondiert, wobei die Außenflächen und die Innenfläche beim Verbinden mit dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine relativ zueinander verspannbar sind.
Aus der DE 10 2006 020 608 B4 ist ein Abgaskrümmerflansch bekannt, der aus einem Flansch und einem darin geführten Flanschring gebildet ist. Der Flanschring ist nach Ausführungsbeispiel 5 konisch ausgebildet und liegt mit einem Kragen gegen ein Dichtelement am Zylinderkopf an.
Die DE 102 20 986 B4 beschreibt einen Abgaskrümmerflansch mit mindestens einer Flanschplatte, die an einem Zylinderkopf anbringbar ist, wobei die Flanschplatte mindestens eine Aussparung für ein Flanschinnenteil aufweist, und mit einem Flanschinnenteil, der durch die Aussparung geführt ist und zum Befestigen eines Abgasrohres dient. Das Flanschinnenteil ist aus temperaturbeständigerem Material gebildet als die Flanschplatte und wird mittels IHU-Verfahren oder durch Einpressen und/oder Verschweißen mit der Flanschplatte verbunden. Er weist eine konisch ausgebildete Anlagefläche auf, über die er unmittelbar an einen Zylinderkopfauslass zur Anlage gebracht werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Gasrohrflansch derart auszubilden und anzuordnen, dass ein vereinfachter Aufbau und eine günstigere Herstellung des Gasrohrflansches gewährleistet werden.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das Flanschinnenteil eine mit Bezug auf die Grundform konisch ausgebildete, in Strömungsrichtung verjüngende Außenfläche aufweist und die Flanschplatte eine mit Bezug auf die Grundform konisch ausgebildete, in Strömungsrichtung verjüngende Innenfläche aufweist, wobei die Außenfläche und die Innenfläche beim Verspannen des Gasrohrflansches gegen den Gegenflansch in einer radial zur Mittelachse verlaufenden Richtung R relativ zueinander verspannbar sind. Damit einher geht ein in radialer Richtung aber auch in axialer Richtung zur Mittelachse wirkender Formschluss zwischen dem Flanschinnenteil und der Flanschplatte. Somit wird erreicht, dass die Flanschplatte und das Flanschinnenteil allein durch Anziehen gegen den Gegenflansch mittels der Halteschrauben miteinander unter Vorliegen eines in radialer Richtung und in axialer Richtung zur Mittelachse wirkenden Kraftanteils verpresst werden. Zwecks Verbindung von Flanschplatte und Flanschinnenteil sind keine zusätzlichen Verbindungsprozesse wie Löten, Schweißen oder Fügen notwendig. Die Außenfläche und die Innenfläche können je nach Oberflächenbeschaffenheit und Art der Oberfläche auch nur segmentweise und/oder punktweise gegeneinander anliegen.
Zudem kann auf der Abgasseite bei der Anwendung auf einen Abgaskrümmer für einen Zylinderkopf oder einen Abgasturbolader das Flanschinnenteil aus temperaturbeständigerem Material gebildet sein als die Flanschplatte.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn die Außenfläche und die korrespondierende Innenfläche der Grundform nach kegelmantelförmig ausgebildet sind und mit Bezug zur Mittelachse eine axiale Überdeckung d von mindestens 2 mm bis 5 mm aufweisen. Die axiale Überdeckung d entspricht der Dicke der Flanschplatte oder des Flanschinnenteils, wenn diese eben ausgebildet sind. Mit zunehmender Überdeckung d wird die erreichbare Flächenpressung zwischen der Außenfläche und der Innenfläche geringer. Die Flanschplatte oder das Flanschinnenteil sind dabei mindestens 2 mm dick.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn die Außenfläche und/oder die Innenfläche profiliert sind und/oder mit Bezug zur Mittelachse in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung und/oder in axialer Richtung verlaufende Rillen, Ausnehmungen oder Nuten aufweisen. Es ist demnach auch möglich, die Außenfläche und/oder die Innenfläche profiliert auszubilden, wie bspw. mit in Umfangsrichtung verlaufenden Rillen, sodass die Flächenpressung trotz bestehender Überdeckung d erhöht, mithin die Dichtigkeit verbessert wird.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn das Flanschinnenteil und/oder die Flanschplatte aus tiefgezogenem und/oder gestanztem Blech gebildet sind. Die damit erreichbare Prozesssicherheit wird durch die konisch ausgebildeten Kontaktflächen zwischen dem Flanschinnenteil und der Flanschplatte noch weiter erhöht. Denn eine ausreichend große Vorspannung zwischen beiden Kontaktflächen kann auch bei relativ großen Toleranzen betreffend deren Gestaltung realisiert werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Flanschinnenteil eine Anlagefläche für eine Dichtung wie eine Flachdichtung aufweist, über die die Dichtung gegen den Gegenflansch vorspannbar ist. Mittels der Dichtung sind definierte Anlageverhältnisse zwischen dem zweiteiligen Gasrohrflansch und dem Gegenflansch einfach realisierbar, sodass lediglich das Flanschinnenteil dichtend gegen den Gegenflansch anliegt. Die Dichtung reicht vorzugsweise bis in den Bereich der Halteschrauben für den Gasrohrflansch, sodass eine einfache Platzierung möglich ist.
Alternativ oder ergänzend kann es von Vorteil sein, wenn das Flanschinnenteil zumindest in montiertem Zustand in axialer Richtung gegenüber der Montagefläche der Flanschplatte hervorsteht. Somit ist eine definierte Anlage des Flanschinnenteils gegen den Gegenflansch bzw. eine dazwischen vorgesehene Dichtung gewährleistet. Die Montagefläche der Flanschplatte ist somit nicht gegen den Gegenflansch vorgespannt, da dies die Anlageverhältnisse des Flanschinnenteils beeinflussen würde.
Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn die Flanschplatte aus mehreren Platten mit je einer Aussparung gebildet ist, wobei die jeweilige Aussparung konisch oder zylindrisch ausgebildet ist und alle Aussparungen die konische Grundform der Innenfläche bilden. Im Fall der zylindrischen Aussparung unterscheiden sich diese im Durchmesser, sodass insgesamt eine zwar stufige, aber zumindest die Grundform betreffend immer noch konische Innenfläche gegeben ist, die das Flanschinnenteil über dessen Außenfläche verspannt.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn ein Gasrohr wie ein Abgaskrümmerohr bzw. ein Krümmer vorgesehen ist, das ausschließlich am Flanschinnenteil befestigt ist und mit dem Flanschinnenteil in Strömungsverbindung steht. Bei dem so gebildeten System erfüllen das Flanschinnenteil und das Gasrohr bzw. das Krümmerrohr aufgrund der gasdichten Verbindung die Weiterleitungsfunktion. Das Flanschinnenteil weist ein zentrales Auslassloch auf, an das das Gasrohr oder das Krümmerrohr angeschlossen ist.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass eine Dichtung vorgesehen ist, die eine gegen eine Anlagefläche des Flanschinnenteils und/oder gegen den Gegenflansch anliegende oder zumindest anlegbare, umlaufende Dichtwulst aufweist. Somit sind auch die durch die Flachdichtung definierten Anlageverhältnisse bestimmbar.
Vorteilhaft ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Gasrohrflansches, bei dem zumindest die Aussparung der Flanschplatte bzw. die Flanschplatte und/oder zumindest die Außenfläche des Flanschinnenteils bzw. das Flanschinnenteil mittels eines Tiefziehprozesses und/oder eines Stanzprozesses hergestellt sind. Tiefziehprozesse und/oder Stanzprozesse weisen ein hohes Maß an Produktionssicherheit auf und sind aus diesem Grund auch kostengünstig.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung eines Abgaskrümmerflansches mit Zylinderkopf;
2 Ansicht A-A aus 1;
3a–3c weitere Ausführungsformen.
Nach 1 handelt es sich um einen Abgaskrümmerflansch 1 für einen Zylinderkopf 2. Der in 1 dargestellte Abgaskrümmerflansch 1 ist an einen Auslass 2.1 eines Zylinderkopfes 2 einer Brennkraftmaschine angeschlossen. Er ist mehrteilig und weist eine Flanschplatte 1.1 auf, die eine Aussparung 3 für ein Flanschinnenteil 1.2 besitzt. Innerhalb der Aussparung 3, die eine Mittelachse 3.1 aufweist, ist das Flanschinnenteil 1.2 eingesetzt bzw. gelagert. Das Flanschinnenteil 1.2 steht mit einem Auslass 2.1 des Zylinderkopfes 2 in Durchflussverbindung und besitzt ein Auslassloch 3.2, das koaxial zum Auslass 2.1 angeordnet ist. Zur Aufnahme des Flanschinnenteils 1.2 weist dieser eine der Grundform nach konisch ausgebildete, in Richtung der Mittelachse 3.1 verjüngende Außenfläche 4 und die Flanschplatte 1.1 eine korrespondierende, gegen die Außenfläche 4 anliegende, der Grundform nach ebenfalls konische Innenfläche 5 auf, wobei die Außenfläche 4 und die Innenfläche 5 beim Verspannen gegen den Zylinderkopf 2 der Brennkraftmaschine in Richtung einer Flächennormalen N und somit in eine radial zur Mittelachse 3.1 verlaufende Richtung R relativ zueinander verspannbar sind. Das Verspannen gegen den Zylinderkopf 2 der Brennkraftmaschine erfolgt über eine Ausnehmung 1.4 für nicht dargestellte Haltebolzen am Zylinderkopf 2.
Die konisch ausgebildete Außenfläche 4 sowie die Innenfläche 5 verjüngen sich in Strömungsrichtung S. Sie sind beide kegelmantelförmig ausgebildet und weisen mit Bezug zur Mittelachse 3.1 eine axiale Überdeckung d in der Dicke der Flanschplatte 1.1 von etwa 5 mm auf.
Nach 1 sind zwei Ausführungsbeispiele, getrennt durch die Mittelachse 3.1, dargestellt.
Nach der Darstellung in der linken Bildseite weist die Außenfläche 4 des Flanschinnenteils 1.2 in Umfangsrichtung verlaufende Nuten bzw. Rillen 4.1 auf, womit die Flächenpressung zwischen der Innenfläche 5 und der Außenfläche 4 erhöht wird. Die Nuten bzw. Rillen 4.1 können alternativ oder ergänzend, wie in der rechten Bildseite dargestellt, in der Innenfläche 5 vorgesehen sein. Die Nuten bzw. Rillen 4.1 können auch (nicht dargestellt) mit Bezug zur Mittelachse 3.1 in axialer oder radialer Richtung verlaufend angeordnet sein.
Das Flanschinnenteil 1.2 weist eine Anlagefläche 1.3 auf, gegen die eine Dichtung 6 anliegt. Die Dichtung 6 ist somit über das Flanschinnenteil 1.2 und die nicht dargestellten Haltebolzen gegen den Zylinderkopf 2 vorspannbar. Die Dichtung 6 weist eine umlaufende Dichtwulst 6.1 auf, die nach Ausführungsbeispiel der linken Bildhälfte gegen den Zylinderkopf 2 zumindest anlegbar ist. Nach dem Ausführungsbeispiel der rechten Bildhälfte liegt die Dichtwulst 6.1 gegen die Anlagefläche 1.3 des Flanschinnenteils 1.2 an. Die Dichtwulst 6.1 kann auch auf beiden Seiten der Flachdichtung 6 vorgesehen sein, sodass diese sowohl gegen den Zylinderkopf 2 als auch gegen die Anlagefläche 1.3 anlegbar ist. Somit ist gewährleistet, dass das Flanschinnenteil 1.2 mittelbar über die Dichtwulst 6.1 gegen den Zylinderkopf 2 dicht anliegt bzw. vorgespannt ist und die Flanschplatte 1.1 diese dichtende Anlage nicht behindert. Zudem weist die Dichtung 6 gemäß rechter Bildhälfte eine Aussparung 6.2 auf, über die sie auf den nicht dargestellten Haltebolzen aufsetzbar ist.
Das Flanschinnenteil 1.2 steht mit seiner Anlagefläche 1.3 in axialer Richtung über eine Montagefläche 1.5 der Flanschplatte 1.1 um das Maß a über, sodass ergänzend oder alternativ zur vorstehend beschriebenen Wirkung der Dichtwulst 6.1 eine ausreichende Anlage bzw. Vorspannung des Flanschinnenteils 1.2 gegen den Zylinderkopf 2 gewährleistet ist. Eine übermäßige Vorspannung der Flanschplatte 1.1 bzw. eine Anlage derselben gegen den Zylinder, die die dichtende Anlage des Flanschinnenteils 1.2 beeinflussen könnte, wird somit verhindert.
Aufgrund der Zweiteiligkeit des Gasrohrflansches 1 kann das Flanschinnenteil 1.2 aus temperaturbeständigerem Material gebildet sein als die Flanschplatte 1.1.
Innerhalb oder an der Aussparung 3 des Flanschinnenteils 1.2 ist ein Krümmer 7 angeordnet bzw. gasdicht befestigt.
Nach der Schnittdarstellung A-A gemäß 2 sind vier Ausnehmungen 1.4 innerhalb der Flanschplatte 1.1 für die nicht dargestellten Haltebolzen vorgesehen. Die Flanschplatte 1.1 kann für jeden Zylinder separat vorgesehen sein oder auch als Sammelplatte für mehrere Zylinder.
Nach Ausführungsform 3a ist die Flanschplatte 1.1 mehrteilig, aus vier Blechplatten 1a, 1b, 1c, 1d gebildet. Die jeweilige Platte 1a, 1b, 1c, 1d weist je eine zylindrische Aussparung 3a, 3b, 3c, 3d auf, die mit Bezug zur Strömungsrichtung S im Durchmesser reduziert sind. Insgesamt ergibt sich somit eine stufenförmig-konische Innenfläche 5.
Das Flanschinnenteil 1.2 ist dabei wesentlich dicker ausgebildet.
Nach Ausführungsform 3a ist das Flanschinnenteil 1.2 dünnwandig, vorzugsweise aus Blech ausgebildet, wobei die Außenfläche 4 bzw. das Flanschinnenteil 1.2 durch einen Tiefziehprozess und/oder einen Stanzprozess geformt sind.
Nach Ausführungsform 3c sind die Flanschplatte 1.1 und das Flanschinnenteil 1.2 dünnwandig, vorzugsweise aus Blech ausgebildet, wobei auch die Innenfläche 5 bzw. die Flanschplatte 1.1 durch einen Tiefziehprozess und/oder einen Stanzprozess geformt sind.
Bezugszeichenliste

1: Gasrohrflansch, Abgas- oder Gemischkrümmerflansch
1.1: Flanschplatte, Außenflansch
1a: Platte
1b: Platte
1c: Platte
1d: Platte
1.2: Flanschinnenteil
1.3: Anlagefläche
1.4: Ausnehmung von 1.1
1.5: Montagefläche
2: Gegenflansch, Zylinderkopf, Zylinderkopfflansch
2.1: Auslass
3: Aussparung
3a: Aussparung
3b: Aussparung
3c: Aussparung
3d: Aussparung
3.1: Mittelachse
3.2: Auslassloch
4: Außenfläche, Kontaktfläche
4.1: Rille, Nut
5: Innenfläche, Kontaktfläche
6: Dichtung, Dichtring
6.1: Dichtwulst
6.2: Aussparung von 6
7: Gasrohr, Krümmer, Abgaskrümmerrohr, Krümmerrohr
a: Überstand, Maß
d: Überdeckung
Da: Außendurchmesser von 4
Di: Innendurchmesser von 5
N: Flächennormale
R: Richtung
S: Strömungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19642692 C2 [0002]
DE 102006020608 B4 [0003]
DE 10220986 B4 [0004]

Claims

Mehrteiliger Gasrohrflansch (1) zum Anschließen an einen Gegenflansch (2) einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer als Außenflansch ausgebildeten Flanschplatte (1.1) und mit einem darin aufnehmbaren Flanschinnenteil (1.2) zur Befestigung eines in Strömungsrichtung nachgeschalteten und in Strömungsverbindung stehenden Gasrohres (7), wobei die Flanschplatte (1.1) mindestens eine eine Innenfläche (5) und einen Innendurchmesser Di aufweisende Aussparung (3) für das Flanschinnenteil (1.2) und eine zumindest mittelbar an den Gegenflansch (2) anlegbare Montagefläche (1.5) besitzt, wobei das Flanschinnenteil (1.2) eine mit der Innenfläche (5) korrespondierende Außenfläche (4) mit einem Außendurchmesser Da aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (4) und die Innenfläche (5) eine in Strömungsrichtung verjüngende Grundform aufweisen, wobei die Außenfläche (4) und die Innenfläche (5) beim Verspannen gegen den Gegenflansch (2) zumindest teilweise in einer radial zu einer Mittelachse (3.1) der Außenfläche (4) und/oder der Innenfläche (5) verlaufenden Richtung R relativ zueinander verspannbar sind.
Gasrohrflansch (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (4) und die korrespondierende Innenfläche (5) der Grundform nach kegelmantelförmig ausgebildet sind und mit Bezug zur Mittelachse (3.1) eine axiale Überdeckung d von mindestens 2 mm bis 5 mm aufweisen.
Gasrohrflansch (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (4) und/oder die Innenfläche (5) profiliert sind und/oder mit Bezug zur Mittelachse (3.1) in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung und/oder in axialer Richtung verlaufende Rillen, Ausnehmungen oder Nuten (4.1) aufweisen.
Gasrohrflansch (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flanschinnenteil (1.2) und/oder die Flanschplatte (1.1) aus tiefgezogenem und/oder gestanztem Blech gebildet sind.
Gasrohrflansch (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flanschinnenteil (1.2) zumindest in montiertem Zustand in axialer Richtung gegenüber der Montagefläche (1.5) der Flanschplatte (1.1) hervorsteht.
Gasrohrflansch (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanschplatte (1.1) aus mehreren Platten (1a, 1b, 1c, 1d) mit je einer Aussparung (3a, 3b, 3c, 3d) gebildet ist, wobei die jeweilige Aussparung (3a, 3b, 3c, 3d) konisch oder zylindrisch ausgebildet ist und alle Aussparungen (3a, 3b, 3c, 3d) die konische Grundform der Innenfläche (5) bilden.
System bestehend aus einem Gasrohrflansch (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasrohr (7) vorgesehen ist, das ausschließlich am Flanschinnenteil (1.2) befestigt ist und mit dem Flanschinnenteil (1.2) in Strömungsverbindung steht.
System bestehend aus einem Gasrohrflansch (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtung (6) vorgesehen ist, die eine gegen eine Anlagefläche (1.3) des Flanschinnenteils (1.2) und/oder gegen den Gegenflansch (2) anlegbare, umlaufende Dichtwulst (6.1) aufweist.
System nach Anspruch 7 oder 8 montiert an einer Abgasanlage und/oder an einem Verbrennungsmotor.
Verfahren zur Herstellung eines Gasrohrflansches (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Aussparung (3) der Flanschplatte (1.1) und/oder zumindest die Außenfläche (4) des Flanschinnenteils (1.2) mittels eines Tiefziehprozesses und/oder eines Stanzprozesses hergestellt sind.