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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraubverbindung zur Befestigung eines Abgaskrümmers mit einem Zylinderkopf und eine Verbrennungskraftmaschine mit einer entsprechenden Schraubverbindung.
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Auch wenn die vorliegende Erfindung bei Verbrennungskraftmaschinen beliebiger Größe einsetzbar ist, werden bevorzugt Bauformen betrachtet, die relativ groß sind und bei denen mehr als nur ein Zylinderkopf zum Einsatz kommt. Beispielsweise kann pro Zylinder jeweils ein Zylinderkopf verwendet werden. Auch können sich mehrere Zylinder einen gemeinsamen Zylinderkopf teilen. So können bspw. bei einer 8-Zylinder-Maschine vier Zylinderköpfe zum Einsatz kommen. Derartige Motoren können bei größeren Fahrzeugen, wie z.B. größeren Lastkraftwagen oder Erdbearbeitungsmaschinen oder Kränen oder dergleichen oder bei Schiffsdieselmotoren zum Einsatz kommen. Bei derartigen Motoren werden unterschiedliche bzw. getrennte Zylinderköpfe verwendet, damit im Servicefall, wenn eine Reparatur bei einem der Zylinder durchgeführt werden soll, nur der entsprechende Zylinderkopf entfernt werden muss. Es ist auch ein Vorteil, dass das Gesamtgewicht des Zylinderkopfs bei der getrennten Bauweise jeweils geringer ist und der Ein- bzw. Ausbau so für den Monteur deutlich erleichtert wird. Ein weiterer zentraler Vorteil ist die Reduktion von temperatur- (oder auch last-) abhängigen Materialspannungen. Es können nämlich die Erwärmungsgeschwindigkeiten der Komponenten, wie z.B. Motorblock, Zylinderkopf und Einlasskanal und Abgaskrümmer, bei einem Motorstart unterschiedlich sein und diese Komponenten können auch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben und bei einem Motor mit einem einteiligen Zylinderkopf könnten diverse Materialspannungen auftreten. Herkömmlich wird der Abgaskrümmer mit bspw. 4 Schrauben am Zylinderkopf verschraubt. Dabei liegen zwei Schrauben oben, also leicht erreichbar und die beiden anderen Schrauben unten, also schwer erreichbar. Ferner ist aus
DE000004205454A1 ,
DE102008029020A und
WO002015088397 bekannt, dass zur Befestigung Verspannungen, wie Klemmleisten zum Einsatz kommen können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine neue Verbindung von einem Abgaskrümmer mit einem Zylinderkopf bereitzustellen, die leicht zu öffnen und zu schließen ist. Es soll vorzugsweise auch eine Verbindung dieser Teile dahingehend optimiert sein, dass thermisch verursachte Maßänderungen gut absorbiert werden und sich dadurch keine unzulässigen Spannungen aufbauen können. Die bevorzugte Lösung soll gerade bei den Raumbedingungen größerer Motoren optimal eingesetzt werden können.
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Diese Aufgabe wird mit den Mitteln der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Schraubverbindung zur Befestigung eines Abgaskrümmers mit einem Zylinderkopf umfasst eine erste Verschraubung, die an einer ersten Seite eines Abgaskanals vorgesehen ist. Eine Klemmleiste ist an einer zweiten Seite des Abgaskanals angeordnet und eine Verschraubung der Klemmleiste ist von der ersten Seite zugänglich. Die zweite Seite ist insbesondere eine in Bezug auf den Abgaskanal der ersten Seite gegenüberliegende Seite. Die erste Seite ist insbesondere eine oben, bzw. zugänglich angeordnete Seite und die zweite Seite ist eine Seite die von oben gesehen hinter, bzw. unter dem Abgaskanal liegt. Durch den beschriebenen Aufbau ist es möglich, zu Servicezwecken sowohl den Abgaskrümmer als auch den Zylinderkopf einfach zu demontieren, da keine Schrauben gelöst werden müssen, die schwer, wie z.B. von unten, zu erreichen sind.
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Auch kann eine Schraubverbindung zur Befestigung eines Abgaskrümmers an einem Zylinderkopf, mit zwei Verschraubungen versehen sein, die zumindest anteilsmäßig entgegengesetzte Verspannungsrichtungen aufweisen. Hierdurch kann eine schwimmende Lagerung bewirkt werden, die v.a. Kräfte, die bei unterschiedlichen Erwärmungen der verschraubten Teile entstehen können, besser aufnehmen, bzw. ableiten kann.
Entsprechend besteht bevorzugt eine schwimmende Verbindung dergestalt, dass tendenziell die Erhöhung der Verbindungskraft einer der Verschraubungen die Erhöhung der Verbindungskraft der anderen Verschraubung bewirkt. Der Begriff „tendenziell“ bedeutet insbesondere, dass der Trend, bzw. die Tendenz vorhanden ist, bei der genannten Erhöhung die genannte Erhöhung zu erhalten, auch wenn es ggf. der Fall sein kann, dass sich z.B. aufgrund von Haftreibkräften keine entsprechende Erhöhung einstellt.
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Insbesondere kann alternativ für zumindest eine der Verschraubungen ein Anschlag vorgesehen sein, der bei einer Erhöhung der Verbindungskraft einer der Verschraubungen eine Erhöhung der Verbindungskraft anderen Verschraubung begrenzt oder verhindert. Hierdurch wird eine vereinfachte Montage ermöglicht.
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Alternativ oder zusätzlich kann ein Zentrierbereich, wie insbesondere zumindest eine Zentrierfläche, zur optischen oder formschlüssigen Positionsausrichtung des Abgaskrümmers relativ zum Zylinderkopf vorgesehen sein, wobei dies insbesondere bei der schwimmenden Lagerung vorteilhaft ist, da ansonsten die Positionierung der zu verschraubenden Teile erschwert möglich ist. Der Zentrierbereich kann zueinander auszurichtende Bohrungen umfassen. Es können auch zumindest eine Fläche, bevorzugt zwei Flächen, zum Einsatz kommen, die bevorzugt in einem spitzen Winkel von größer 45° zu der Kontaktebene der zu verschraubenden Teile steht/stehen. Bevorzugt können bei einem Abgaskrümmer in der Summe über alle Zylinder maximal zwei Zentrierbereiche zum Einsatz kommen, die bevorzugt an möglichst weit voneinander entfernten Zylindern angeordnet sind. Die Zentrierbereiche sind so bestimmt bzw. ausgerichtet, dass keine statische Überbestimmtheit auftritt, da diese zu inneren Verspannungen führen könnte. So könnte z.B. ein Zentrierbereich in eine x- und y-Richtung zentrieren und ein zweiter, in x-Richtung entfernter Zentrierbereich könnte in y-Richtung zentrieren.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn die Klemmleiste einen keilförmigen Kontaktbereich umfasst und die erste Verschraubung eine Klemmkraft auf diesen Bereich ausübt. Es wird durch die erste Verschraubung also auch erreicht, dass sich die Teile an der unteren Seite so verspannen, dass auch hier ausreichende Andruckkräfte vom Zylinderkopf zu dem Abgaskrümmer entstehen.
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Insbesondere hat die Klemmleiste ihren Verschraubungsbereich in einer mittigen Position, und davon ausgehend liegt zu einer Seite ein Kontakt- oder Klemmbereich, der in Kontakt zu dem Zylinderkopf steht und zu einer davon gegenüberliegenden Seite beseht ein Kontakt- oder Klemmbereich mit dem Abgaskrümmer. So wird eine Art wippenförmiges Teil geschaffen, das in der Mitte über die Schraube verspannt wird und wie ein Bügel die verschraubten Teile gegeneinander drückt.
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Es kann insbesondere bei einer Verbrennungskraftmaschine mit mehreren Zylindern für jeden der Zylinder eine Klemmleiste vorgesehen sein. Dann sind zumindest zwei Klemmleisten mit einem Koppelglied miteinander verbunden. Dies ist vorteilhaft, da die Klemmleiste weder mit dem Zylinderkopf noch mit dem Abgaskrümmer dauerhaft bzw. unlösbar verbunden ist, sondern da zur Entnahme des Zylinderkopfs und/oder des Abgaskrümmers lediglich die genannte Schraubverbindung des Koppelglieds geöffnet werden muss. Damit in diesem Zustand die Klemmleiste nicht herabfällt und in einem schwer zugänglichen Bereich bei der Wiederbefestigung aufwendig positioniert werden muss, wird sie bevorzugt über das Koppelglied an einer benachbarten Klemmleiste befestigt. Dabei kann das Koppelglied vorteilhafterweise leicht elastisch und/oder plastisch verformbar sein oder zumindest elastisch und/oder plastisch verformbare Bereiche umfassen, um Lage- und/oder Winkelabweichungen der Klemmleisten zueinander zu kompensieren.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Explosionsansicht eines Zylinderkopfs 10 und eines Abschnitts eines Abgaskrümmers 40,
- 2 eine Draufsicht einer Baugruppe mit dem Zylinderkopf 10 und dem Abschnitt des Abgaskrümmers 40,
- 3 einen seitlichen Schnitt durch die Verschraubung in einer ersten Ausführungsform,
- 4 ein Detail der Ausführungsform der 3,
- 5 einen seitlichen Schnitt durch die Verschraubung einer zweiten Ausführungsform,
- 6 eine Draufsicht auf eine Klemmleiste 50,
- 7 einen seitlichen Schnitt der Klemmleiste der 6,
- 8 eine perspektivische Ansicht zur Erläuterung eines Zentrierbereichs,
- 9 einen Schnitt durch den Zentrierbereich der 8,
- 10 eine Baugruppe mit zwei Klemmleisten 50,
- 11 eine perspektivische Ansicht einer Verbrennungskraftmaschine und
- 12 eine Variante im Bereich eines Zentrierbereichs 14, 44.
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1 zeigt einen Zylinderkopf 10, der mit einem Flansch versehen ist, über den er mit einem Abgaskrümmer 40 verbunden werden kann. Dazu haben sowohl der Flansch des Zylinderkopfs 10 wie auch ein Flansch des Abgaskrümmers 40 plane Oberflächen, die über eine zwischenliegende Dichtung 15 miteinander verbunden werden können und mit der nachfolgend beschriebenen Verschraubung der 2 und 3 dauerhaft verbunden werden können. Die genannten planen Oberflächen sind bevorzugt im Kontaktbereich ohne Zentrier- oder Positionierungsabsätze oder - kanten. Bei der Verschraubung sind an einer Oberseite des Abgaskrümmers 40 zwei Schrauben 20 angeordnet, die ihn mit dem Zylinderkopf 10 verschrauben. Die Schrauben stehen (siehe 3) in einem Winkel β zur Verbindungebene von 35°.
Bei bevorzugten Ausführungsformen liegt dieser Winkel zwischen 20° und 50°. Bei einer Anzugskraft F der gezeigten Schraube 20 ergibt sich folglich im Kräftedreieck eine Kraft Fp, die als Andruckkraft senkrecht zur Kontaktebene der beiden Teile liegt und eine seitliche Kraft Fs, die senkrecht dazu liegt, also in der Verbindungsebene.
Die genannte Oberseite des Abgaskrümmers ist die Seite, die bei dessen Einbau oben liegt oder die für einen Monteur gut erreichbar ist. 1 zeigt einen Abgaskanal 45, der im Zylinderkopf 10 bei dem entsprechenden Auslassventil (nicht gezeigt) beginnt und das Abgas in einen entsprechenden Bereich des Abgaskrümmers 40 leitet, wo dieser Kanal mit entsprechenden Abgaskanälen anderer Zylinder zusammengeführt und z.B. zu einer Abgasaufbereitung geleitet wird. Somit bezeichnet der Begriff „Abgaskanal 45“ einen inneren Bereich sowohl des Zylinderkopfs 10 wie auch des Abgaskrümmers 40. Auf der Seite des Abgaskanals 45, der der oberen Seite gegenüber liegt, und die im Folgenden auch als die untere
Seite bezeichnet wird, ist eine Klemmleiste 50 angeordnet. Die Klemmleiste 50 ist ein bügelförmiges Teil, welches mit einer Verschraubung 30 am Zylinderkopf 10 befestigt ist und ein freies Ende umfasst, welches ein Ende des Flanschs des Abgaskrümmers 40 umfasst, wobei an einer Klemmoberfläche 51 ein Kontakt zwischen beiden Teilen besteht. Bevorzugt steht die Klemmoberfläche 51 in einem Winkel a, der bei 30° zu der genannten Kontaktebene liegt. Dafür hat der Abgaskrümmer 40 an seinem Flansch eine entsprechende Klemmoberfläche. Bei vorteilhaften Ausführungsformen kann der Winkel α zwischen 20° und 60° liegen. Die Ausrichtung des Winkels β der Verschraubung 20 ist so gerichtet, dass die seitliche Kraft Fs den Abgaskrümmer 40 oder genauer dessen Flansch in die Klemmoberfläche 51 drückt. Bei Vernachlässigung der Reibkräfte wirkt also dort die Kraft Fs, die über eine Richtungsumwandlung entlang des Winkels α der Klemmoberfläche 51 eine Kraft bewirkt, die dort den Flansch gegen den Zylinderkopf 10 drückt. Da so an zwei gegenüberliegenden Seiten des Abgaskanals 45 Andruckkräfte erzeugt werden und die genannten Verschraubungen 20 und 30 in Motorlängsrichtung jeweils vor und hinter dem Abgaskanal vorgesehen sind, wird umlaufend an vier Stellen eine Andruckkraft beider Teile bewirkt, was in Kombination mit der Dichtung 15 zur Abdichtung führt. Mit zumindest der Verschraubung 20 oder 30 oder bevorzugt beiden Verschraubungen lässt sich also die Andruckkraft des Abgaskrümmers 40 mit dem Zylinderkopf 10 festlegen.
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Zur Erläuterung der Klemmleiste 50 ist sie in 4 vergrößert gezeigt. Die Schraube 30 zieht die Klemmleiste 50 mit ihrem mittigen Bereich gegen den Zylinderkopf 10. Vom mittigen Bereich gehen gegenübergesetzt zwei Arme aus. Der eine Arm endet mit einer Auflagefläche 56, um die Klemmleiste gegen den Zylinderkopf 10 abzustützen und der andere Arm umfasst die genannte Klemmoberfläche 51. Unter der Annahme etwa gleicher Armlängen wirkt somit an der Klemmoberfläche 51 eine Gegenkraft in der Gegenrichtung der genannten seitlichen Kraft Fs, die in etwa der halben Zugkraft der Schraube 30 entspricht und hierüber ergibt sich die Klemmkraft an dieser Stelle. In der gezeigten Schnittebene ist ein seitlicher Anschlag der Auflagefläche 56 nicht sichtbar, der dafür sorgt, dass die Klemmleiste 50 sich nicht seitlich verschiebt, was nämlich Scherkräfte auf die Schraube 30 bewirken könnte. Bei alternativen Ausführungsformen, wie in 10 gezeigt ist, kann die Auflagefläche in einem Winkel liegen, der dem Winkel α entgegengesetzt ist, so dass eine seitliche Verschiebung der Klemmleiste 50 verhindert wird und kein seitlicher Anschlag benötigt wird. Ergänzend zu der gezeigten Verschraubung 20 kann eine Andruckkraft der Kontaktebene auch durch die Verschraubung 30 erzeugt werden, dahingehend, dass dort die Schraubkraft erhöht wird, was über den Winkel α der Klemmoberfläche Kräfte bewirkt, die in Andruckrichtung wirken.
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Im Kleinen ist also die Relativposition (quer zur Klemmoberfläche) des Zylinderkopfs 40 relativ zum Zylinderkopf 10 nicht exakt bestimmt, sondern kann durch die Veränderungen der Spannwege der Verschraubungen 20 und 30 geringfügig verändert werden. So gesehen kann dies als eine schwimmende Lagerung angesehen werden. Zur exakten Ausrichtung beider Teile bei der Montage sind gemäß 8 und 9 an dem Zylinderkopf 10 und dem Abgaskrümmer 40 jeweils Zentrierbereiche 14 und 44 vorgesehen. Bei der Montage wird darauf geachtet, dass die Zentrierbereiche, die hier bspw. als Bohrungen ausgeführt sind, fluchtend zueinander liegen. Alternativ kann die fluchtende Ausrichtung durch einen Stift erzielt werden, der während der Montage eingeführt wird und bevorzugt nach dem Festziehen der Verschraubung 20 und 30 entfernt werden kann.
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Ein Vorteil der genannten schwimmenden Lagerung besteht darin, dass Maßänderungen des Zylinderkopfs
10 und des Abgaskrümmers
40 besser und mit geringeren Verschiebungen aufgefangen werden können. Gerade beim Motorstart, und bei Phasen unterschiedlicher Motorlast können nämlich an den genannten Teilen unterschiedliche Temperaturen auftreten. Dies kann durch eine Kühlung, die sowohl im Zylinderkopf
10 und/oder dem Abgaskrümmer
40 angeordnet ist, teilweise kompensiert werden. Anders als beim Stand der Technik, wie
DE 4 205 454 A1 oder
DE 10 2008 029 020 A1 , bei der ein klemmflächenähnlicher Bereich einstückig Teil des Zylinderkopfs ist, ergibt sich durch die vorliegende Zweiteiligkeit mit der Klemmleiste und der gewissen Elastizität aufgrund der Länge der Schraube
30 der Vorteil, dass Temperaturdehnungen unterschiedlicher Teile leichter aufgenommen bzw. abgeleitet werden können.
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Die Montage des Abgaskrümmers 40 an dem Zylinderkopf 10 kann folgendermaßen geschehen: Zunächst werden die Teile zueinander ausgerichtet und die Schrauben 20 und 30 werden ohne merkliche Drehmomentübertragung so eingedreht, dass die Zentrierbereiche 14 und 44, wie beschrieben, zueinander ausgerichtet sind. Anschließend werden die Schrauben 20 und 30 mit einem vorgeschriebenen Drehmoment festgezogen. Dabei sorgt die Haftreibung zwischen dem Zylinderkopf 10 und dem Abgaskrümmer 40 dafür, dass keine Verschiebung der Teile zueinander auftritt. Nachträglich kann eine Schraubensicherung, wie z.B. eine formschlüssige Sicherung, dafür sorgen, dass im Betrieb die Schrauben sich nicht lösen. Dies kann z.B. durch eine Kronenmutter/Splint-Verbindung oder eine Sicherungsscheibe geschehen.
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5 zeigt eine Alternative der Schraubverbindung, bei der (anders als bei 3 oder 4) kein Abstand zwischen der Klemmleiste 50 und dem Zylinderkopf 10 im Bereich der Verschraubung besteht. Vielmehr besteht dort ein Anschlag 52, der es einfach sicherstellt, dass die Soll-Position der Klemmleiste 50 einfach eingestellt werden kann. Bei der Montage wird zunächst die Klemmleiste mit der Verschraubung 30 (zwei Schrauben) mit einer vorgegebenen Sollkraft befestigt und anschließend wird diese Baugruppe über die Verschraubung 20 mit dem Abgaskrümmer 40 verbunden.
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Wie bereits vorstehend erläutert, ist es vorteilhaft, beide Verschraubungen 20 und 30 von oben zu erreichen. Dabei müssen nicht zwingend die Köpfe der Schrauben 30 selbst auf der oberen Seite liegen, sondern können auch untenliegend angeordnet sein, wenn sie z.B. über einen Inbusschlüssel gut erreichbar sind. Wenn einer der Zylinderköpfe 10 des Motors entfernt werden soll, so werden die Verschraubungen 20 und 30 gelöst und die Verbindungen von dem Zylinderkopf zu dem Motorblock (nicht gezeigt). Eigentlich wäre dann die Klemmleiste 50 frei und würde in den Motorraum fallen. Es wird nämlich für jeden Zylinder eine gesonderte Klemmleiste 50 verwendet. Um dies zu verhindern, sind Klemmleisten benachbarter Zylinder über ein Koppelglied 55 verbunden, wie dies in 10 und 11 gezeigt ist. Das Koppelglied 55 ist ein Verbindungselement, dass an zumindest zwei Klemmleisten 50 verbunden ist. Es bietet für eine Klemmleiste 50, die nicht mit der Verschraubung 30 verschraubt ist, eine gewisse Lagestabilität, um zu verhindern, dass sie in diesem Zustand nicht in den Motorraum fällt und somit um sicherzustellen, dass die entsprechenden Schrauben 30 bei ihrem Wieder-Befestigen leicht die passenden Gewinde finden. Aber das Koppelglied 45 ist auch ausreichend flexibel, dass Lagetoleranzen der Klemmleisten 50 oder thermische Dehnungen oder Schwingungen leicht absorbiert werden können. Dazu umfassen die Koppelglieder gemäß 10 Einschlitzungen, die Zugfestigkeit bzw. Verdrehsteifigkeit reduzieren. Insbesondere erlauben die Einschlitzungen eine plastische Verformung des Koppelglieds 45. Dies ermöglicht es, einen Zylinderkopf einfach aus- und wieder einzubauen, ohne den dazugehörigen Abgaskrümmer zu demontieren.
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Und in 12 ist eine Variante des Zentrierbereichs 14, 44 gezeigt. Hier kommt eine zusätzliche Verschraubung 47 zum Einsatz. Die Verschraubungsrichtung kann senkrecht zu der Verbindungsebene des Abgaskrümmers 40 mit dem Zylinderkopf 10 sein. Die Verschraubung 47 kann dazu genutzt werden die genannte Teile 10, 40 zueinander auszurichten. Dafür kann im Zentrierbereich 44 des Abgaskrümmers 40 eine enge Passung gegenüber einem (z.B. zylindrischen) Abschnitt der Verschraubung 47 vorgesehen sein. Vorstehend wurde beschrieben, dass die Verschraubung 20 pro Zylinder grundsätzlich bevorzugt zwei Schrauben umfasst. Alternativ kann bei dieser Ausführungsform bspw. eine der Schrauben 20 durch eine Schraube 47 ersetzt werden. Alternativ kann auch auf die Verschraubung 20 komplett verzichtet werden. Optional kann die Verschraubung einen Dehnungskompensator 48 umfassen, der eine gewisse Elastizität aufweist, und herüber stets eine ausreichende Andruckkraft der verschraubten Teile 10, 40 sicherstellt. Die Montage wird vorteilhafter Weise so durchgeführt, dass zunächst die Verschraubung 47 geschlossen wird und anschließend die Verschraubungen 20 und 30.
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Eine funktionelle Umkehr ist möglich und vom erfinderischen Gedanken umfasst, dahingehend dass der Zylinderkopf und der Abgaskrümmer miteinander ausgetauscht werden. Dann würde bspw. die Verschraubung 30 durch den Abgaskrümmer gehen und die Klemmoberfläche 51 der Klemmleiste würde in Kontakt mit einem Flansch des Zylinderkopfs stehen. Die vorstehend verwendete Bezeichnung „oben“ ist anwendbar bei einem typischen Einbau des Motors in ein entsprechendes Arbeitsgerät, wie z.B. eine (bevorzugt größere) Verbrennungskraftmaschine.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 000004205454 A1 [0002]
- DE 102008029020 A [0002]
- WO 002015088397 [0002]
- DE 4205454 A1 [0016]
- DE 102008029020 A1 [0016]
