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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führen eines Abgasstroms in einer Strömungsrichtung mit einer ersten stromaufwärtigen Abgasführungskomponente und einer zweiten stromabwärtigen Abgasführungskomponente, wobei die stromaufwärtige Abgasführungskomponente über ein zur Schalldämpfung und/oder zum Dehnungsausgleich vorgesehenes rohrförmiges Funktionselement an die stromabwärtige Abgasführungskomponente angebunden ist.
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Brennkraftmaschinen stoßen heiße Abgase aus, die üblicherweise mittels einer Abgasanlage gekühlt, gereinigt und an die Umgebung abgegeben werden. Es ist häufig erwünscht, eine akustische, thermische und/oder mechanische Entkopplung der Brennkraftmaschine oder ihrer motornahen Komponenten von der Abgasanlage vorzusehen. Zu diesem Zweck werden zum Beispiel Körperschallelemente, Dehnausgleichskörper oder ähnliche rohrförmige Funktionselemente jeweils zwischen zwei Abgasführungskomponenten, beispielsweise zwischen ein motornahes Flanschelement und ein Abgasleitungsrohr, eingesetzt. Derartige rohrförmige Funktionselemente können direkt an die zu verbindenden Abgasführungskomponenten angeschweißt oder anderweitig angefügt sein.
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Während des Betriebs der Brennkraftmaschine kommt es aufgrund der heißen Abgase zu einer hohen thermomechanischen Belastung der Fügestellen. Dies ist insbesondere deshalb problematisch, da schalldämpfende und/oder dehnungsausgleichende Funktionselemente im Allgemeinen nicht so stabil ausgeführt sein können wie Leitungskomponenten, die ausschließlich zur Abgasführung vorgesehen sind. Im schlimmsten Fall kann es zu einem Versagen der Fügestellen kommen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, bei Vorrichtungen der eingangs genannten Art die Stabilität und die Zuverlässigkeit zu erhöhen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die Erfindung sieht vor, dass das Funktionselement unter Ausbildung einer ersten Fügestelle an eine Distanzhülse angefügt ist, die ihrerseits unter Ausbildung einer zweiten Fügestelle an die stromaufwärtige Abgasführungskomponente angefügt ist, wobei die erste Fügestelle von der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente zumindest in einer bezüglich der Strömungsrichtung radialen Richtung beabstandet ist. Das Funktionselement wird also nicht direkt an die stromaufwärtige Abgasführungskomponente angebunden, sondern über eine Distanzhülse. Die Distanzhülse hält die erste Fügestelle in radialer Beabstandung von der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente und verringert die Wärmeleitung zwischen der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente und dem Funktionselement. Somit werden während des Betriebs der Abgasanlage die Temperatur und die Materialbelastung im Bereich der ersten Fügestelle verringert. Die vergleichsweise höhere Temperatur an der zweiten Fügestelle ist insofern unkritisch, als die Distanzhülse keine schallabsorbierenden und/oder dehnungsausgleichenden Eigenschaften aufweisen muss und daher besonders stabil ausgeführt sein kann. Die Länge und/oder die Wandstärke der Distanzhülse können zur Beschränkung der Wärmeleitung auf ein vorgegebenes unkritisches Maß angepasst sein. Die Distanzhülse wirkt auch als eine definierte Weichheit und nimmt thermisch hervorgerufene Verformungen elastisch auf.
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Vorzugsweise steht das Funktionselement ausschließlich über die Distanzhülse mit der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente in Verbindung. Die Wärmeübertragung zwischen der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente und dem Funktionselement wird auf diese Weise minimiert.
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Zur Minimierung des Wärmeübertrags auf das Funktionselement kann dieses ausschließlich im Bereich der ersten Fügestelle mit der Distanzhülse in Verbindung stehen. Ein besonders geringer Wärmeübertrag ergibt sich, wenn die erste Fügestelle linienartig ausgeführt ist, sich also beispielsweise als dünner Ring um den Umfang der Distanzhülse herum erstreckt.
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Um den Wärmeübertrag von der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente auf die Distanzhülse zu minimieren, kann die Distanzhülse ausschließlich im Bereich der zweiten Fügestelle mit der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente in Verbindung stehen. Vorzugsweise ist die zweite Fügestelle linienartig ausgeführt, beispielsweise als dünner Ring, der sich um den Umfang der Distanzhülse herum erstreckt.
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Die zweite Fügestelle kann sich grundsätzlich stromaufwärts der ersten Fügestelle befinden. Bevorzugt ist es jedoch, dass sich die zweite Fügestelle zumindest abschnittsweise stromabwärts der ersten Fügestelle befindet. Das heißt es ist bevorzugt, dass sich die radial von der Rohrwand beabstandete Fügestelle stromaufwärts der Verbindungsstelle zwischen der Distanzhülse und der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente befindet. Bei dieser Ausgestaltung bildet sich eine luftgefüllte Tasche aus, welche die thermische Entkopplung zwischen der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente und dem Funktionselement unterstützt.
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Speziell kann vorgesehen sein, dass zwischen einem stromaufwärtigen Ende des Funktionselements und einer Außenfläche der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente ein Luftspalt gebildet ist. Durch einen solchen Luftspalt wird die Temperatur der ersten Fügestelle während des Betriebs der Abgasanlage besonders wirksam abgesenkt.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Funktionselement stromabwärts der ersten und/oder der zweiten Fügestelle an die stromabwärtige Abgasführungskomponente angefügt ist. Es ist nicht zwingend notwendig, zwischen das Funktionselement und die stromabwärtige Abgasführungskomponente ein weiteres eigenständiges Entkopplungselement einzusetzen. Sollte es die Anwendungssituation erfordern, so könnte jedoch auch an dieser Stelle eine Distanzhülse eingesetzt sein.
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Vorzugsweise ist die erste Fügestelle eine Schweißnaht, insbesondere eine Laserschweißnaht. Ebenso ist es bevorzugt, dass die zweite Fügestelle eine Schweißnaht, insbesondere eine Laserschweißnaht, ist.
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Das Funktionselement kann eine mehrere Lagen umfassende Wand aufweisen. Insbesondere kann das Funktionselement eine mehrere Blechlagen umfassende Wand aufweisen. Solche mehrlagigen Funktionselemente eignen sich gut zur Schallabsorption und zum Dehnungsausgleich.
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Vorzugsweise weist die Distanzhülse eine Wandstärke auf, die wenigstens der Wandstärke einer Lage des Funktionselements entspricht. Bei mehrlagigen Funktionselementen kann es nämlich zu einem zeitlich versetzten Versagen der einzelnen Lagen kommen. Die Stabilität der Fügestelle kann daher verbessert werden, wenn eine einlagige Distanzhülse verwendet wird, deren Wandstärke größer ist als es einer Einzellage des Funktionselements entspricht.
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Bevorzugt weist die Distanzhülse eine Wandstärke auf, die höchstens der Summe der Wandstärken aller Lagen der Wand des Funktionselements entspricht. Dies verhindert eine übermäßige Steifigkeit der Distanzhülse und spart Herstellungskosten.
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Das Funktionselement kann einen Wellbalg umfassen. Wellbälge werden häufig als Körperschallelemente in Abgasanlagen eingesetzt und sind dementsprechend allgemein verfügbar.
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Es kann vorgesehen sein, dass sich die erste Fügestelle und die zweite Fügestelle an jeweiligen axialen Endbereichen der Distanzhülse befinden. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Konstruktion.
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Die Distanzhülse kann sich zumindest abschnittsweise in Strömungsrichtung gesehen verengen. Durch eine solche Ausgestaltung kann auf einfache Weise sowohl eine radiale Beabstandung der ersten Fügestelle von der Wand der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente als auch eine axiale Beabstandung der ersten Fügestelle von der zweiten Fügestelle bewerkstelligt werden.
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Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich, wenn die Distanzhülse zumindest abschnittsweise konisch geformt ist.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Funktionselement, die Distanzhülse und die stromaufwärtige Abgasführungskomponente koaxial und/oder axial überlappend angeordnet sind. Eine derart gestaltete Vorrichtung beansprucht nur wenig Bauraum.
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Es kann vorgesehen sein, dass die stromaufwärtige Abgasführungskomponente ein Flanschelement ist und/oder die stromabwärtige Abgasführungskomponente ein Abschnitt einer Abgasrohrleitung ist. Das Flanschelement kann zur direkten Anbindung an einen Auslass der zughörigen Brennkraftmaschine ausgebildet sein.
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Die Erfindung betrifft auch eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, die eine wie vorstehend beschriebene Vorrichtung umfasst.
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Weiterbildungen der Erfindung sind auch in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie der beigefügten Zeichnung angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine aufgeschnittene Teildarstellung einer gemäß dem Stand der Technik gestalteten Vorrichtung zum Führen eines Abgasstroms.
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2 ist eine aufgeschnittene Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Führen eines Abgasstroms.
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3 zeigt die Vorrichtung gemäß 2 in einer perspektivischen Ansicht.
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Die in 1 vereinfacht und in Teilschnittdarstellung gezeigte Vorrichtung 11 ist in eine Abgasanlage einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine integriert und dient zum Führen eines Abgasstroms in einer Strömungsrichtung S. Die Vorrichtung 11 umfasst eine stromaufwärtige Abgasführungskomponente 13 sowie eine koaxial zu dieser angeordnete stromabwärtige Abgasführungskomponente 15. Die stromaufwärtige Abgasführungskomponente 13 ist vorzugsweise als Flanschelement ausgeführt, während es sich bei der stromabwärtigen Abgasführungskomponente 15 vorzugsweise um einen Abschnitt einer Abgasrohrleitung handelt. Die beiden Abgasführungskomponenten 13, 15 sind axial überlappend angeordnet, wobei keine starre mechanische Verbindung zwischen ihnen besteht. Vielmehr ist die stromaufwärtige Abgasführungskomponente 13 über ein rohrförmiges Funktionselement 17 in Form eines mehrlagigen Wellbalgs an die stromabwärtige Abgasführungskomponente 15 angebunden. In 1 sind zwei Lagen 19, 20 des Funktionselements 17 dargestellt. Das Funktionselement 17 kann jedoch drei oder mehr Lagen umfassen. Die Lagen 19, 20 können aus Blech, insbesondere Stahlblech, gebildet sein. Das Funktionselement 17 dient zur akustischen Entkopplung der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente 13 und der stromabwärtigen Abgasführungskomponente 15 und insbesondere zur Minderung der Ausbreitung von Körperschall. Unter Ausbildung von Laserschweißnähten 25, 26 ist das Funktionselement 17 an die stromaufwärtige Abgasführungskomponente 13 und die stromabwärtige Abgasführungskomponente 15 angeschweißt.
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Während des Betriebs der Brennkraftmaschine strömt heißes Abgas in der Strömungsrichtung S an den beiden Laserschweißnähten 25, 26 vorbei, wodurch diese beträchtlich belastet werden. Dies gilt insbesondere für die nicht abgeschirmte stromaufwärtige Laserschweißnaht 25. Aufgrund der hohen thermomechanischen Belastung durch das heiße Abgas kann es zu einem zeitlich aufeinanderfolgenden Versagen aller Lagen 19, 20 des Funktionselements 17 im Bereich der Laserschweißnaht 25 und somit zu einem Bruch der Laserschweißnaht 25 kommen.
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Die in 2 und 3 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung 31 ist ähnlich gestaltet wie die in 1 gezeigte Vorrichtung 11 und umfasst ebenfalls eine stromaufwärtige Abgasführungskomponente 13, eine stromabwärtige Abgasführungskomponente 15 sowie ein rohrförmiges Funktionselement 17 in Form eines mehrere Lagen 19, 20 umfassenden Wellbalgs. Das stromabwärtige Ende 32 des Funktionselements 17 ist unter Ausbildung einer stromabwärtigen Laserschweißnaht 33 direkt an die stromabwärtige Abgasführungskomponente 15 angeschweißt. Das stromaufwärtige Ende 35 des Funktionselements 17 ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 31 jedoch nicht direkt an der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente 13 befestigt, sondern über eine Distanzhülse 37. Die Distanzhülse 37 ist vorzugsweise aus einem einlagigen Stahlblech hergestellt, dessen Wandstärke wenigstens der Wandstärke einer Lage 19, 20 des Funktionselements 17 und höchstens der Summe der Wandstärken aller Lagen 19, 20 des Funktionselements 17 entspricht.
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Die Distanzhülse 37 ist unter Ausbildung einer ersten Laserschweißnaht 39 an das stromaufwärtige Ende 35 des Funktionselements 17 angeschweißt und unter Ausbildung einer zweiten Laserschweißnaht 40 an die stromaufwärtige Abgasführungskomponente 13 angeschweißt. Wie dargestellt befinden sich die beiden Laserschweißnähte 39, 40 an jeweiligen axialen Endbereichen 41, 42 der Distanzhülse 37. Zwischen den beiden Laserschweißnähten 39, 40 erstreckt sich ein konischer Abschnitt 45 der Distanzhülse 37. Die Distanzhülse 37 ist derart angeordnet, dass sich durch den konischen Abschnitt 45 eine in Strömungsrichtung S weisende Verengung ergibt. Dadurch ist die erste Laserschweißnaht 39 in bezüglich der Strömungsrichtung S radialer Richtung von der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente 13 beanstandet und gleichzeitig gegenüber der zweiten Laserschweißnaht 40 hinsichtlich der Strömungsrichtung S axial zurück versetzt. Zwischen dem stromaufwärtigen Ende 35 des Funktionselements 17 und der Außenfläche 47 der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente 13 besteht ein Luftspalt 50.
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Der Wärmeübertrag von der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente 13 auf die erste Laserschweißnaht 39 ist durch die Distanzhülse 37 und den Luftspalt 50 derart verringert, dass auch bei einem längeren Betrieb der Vorrichtung 31 kein Versagen der ersten Laserschweißnaht 39 zu befürchten ist. Die zweite Laserschweißnaht 40 ist belastbarer als die erste Laserschweißnaht 39, weil die Distanzhülse 37 keine speziellen schalldämpfenden oder dehnungsausgleichenden Eigenschaften aufweisen muss und somit einlagig und mit vergleichsweise hoher Wandstärke ausgeführt sein kann. Trotz einlagiger Ausführung kann die Distanzhülse 37 aber dehnungsausgleichende Eigenschaften aufweisen. Da die Distanzhülse 37 koaxial und axial überlappend mit dem Funktionselement 17 und der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente 13 angeordnet ist, beansprucht die Vorrichtung 31 nur wenig Bauraum. Dadurch dass die Distanzhülse 37 die stromaufwärtige Abgasführungskomponente 13 sowie das Funktionselement 17 jeweils nur im Bereich der Laserschweißnähte 39, 40 linienartig kontaktiert, ist die Wärmeleitung von der stromaufwärtigen Abgasführungskomponente 13 zum Funktionselement 17 relativ gering.
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Die Verwendung der Distanzhülse 37 ermöglicht auf einfache und kostengünstige Weise eine beträchtliche Erhöhung der Belastbarkeit einer Abgasanlage.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Vorrichtung zum Führen eines Abgasstroms
- 13
- stromaufwärtige Abgasführungskomponente
- 15
- stromabwärtige Abgasführungskomponente
- 17
- Funktionselement
- 19, 20
- Lage
- 25, 26
- Laserschweißnaht
- 31
- Vorrichtung zum Führen eines Abgasstroms
- 32
- stromabwärtiges Ende des Funktionselements
- 33
- stromabwärtige Laserschweißnaht
- 35
- stromaufwärtiges Ende des Funktionselements
- 37
- Distanzhülse
- 39
- erste Laserschweißnaht
- 40
- zweite Laserschweißnaht
- 41
- axialer Endbereich
- 42
- axialer Endbereich
- 45
- konischer Abschnitt
- 47
- Außenfläche
- 50
- Luftspalt
- S
- Strömungsrichtung
