DE19510602C1 - Fächerartiger Abgaskrümmer für mehrzylindrige Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem baumartig strukturierten, fä­ cherartigen Abgassammler für mehrzylindrige Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie er beispielsweise aus der DE 83 12 091.2 U1 als bekannt hervorgeht.

Bei dem danach bekannten Fächerkrümmer sind die Einzelrohrab­ schnitte der ersten Sammelebene an ihren stromab liegenden Enden paarweise spiegelbildlich D-förmig mit einer offenen Umfangssei­ te umgeformt und mit diesen Seiten Y-artig stumpf zusammenge­ schweißt, wobei der Endbereich der solcherart vorgefertigten Doppelrohre der ersten Sammelebene doppel-D-förmig mit annähernd kreisförmigem Gesamtquerschnitt ausgebildet ist. Diese Doppelroh­ re der ersten Sammelebene werden dann mit den Rohrabschnitten der zweiten und dem der dritten Sammelebene zusammengefügt, wo­ bei eine Stumpfschweißung an den Verbindungsstellen vorgesehen ist. Diese Art der Ausbildung des Fächerkrümmers ist fertigungs­ technisch und unter Strömungsgesichtspunkten nicht optimal, weil die Teile in zwei unterschidlichen Schritten zusammengeschweißt werden müssen, weil die Stumpfschweißungen eine hohe Fertigungs­ genauigkeit der Einzelteile voraussetzen und weil trotzdem die Übergänge der lichten Querschnitten von der ersten zur zweiten Sammelebene nicht optimal gestaltet werden können. Außerdem bil­ den sich im Fall von Durchmessertoleranzen und/oder Querversatz der Rohrabschnitte Stufen an den Fügestellen aus, die sich der Strömung entgegenstellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, den gattungsgemäß zugrundegelegten Fächerkrümmer dahingehend zu verbessern, daß er kostengünstiger herstellbar ist aber dennoch zugleich eine strömungsgünstige Führung der Abgase gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Fä­ cherkrümmers erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Die - abgesehen von Anschlußflanschen - insgesamt sechs erforderlichen Einzelteile des erfindungsgemäßen Fächerkrümmers sind im Fall eines Fächerkrümmers für eine vier­ fache Zylinderreihe gebildet zum einen von vier verschiedenen Rohrbiegern mit geradlinig begrenzten, u. U. schräg beschnittenen Enden und von zwei verschiedenen IHU-Teilen, die alle preisgün­ stig und mit hoher Formgenauigkeit herstellbar sind. Die Teile lassen sich in einer einzigen Vorrichtung lagerichtig zusammen­ stecken und in dieser einen Aufspannung zusammenschweißen. Auf­ grund des Zusammensteckens der Teile lassen sich Längentoleran­ zen in relativ weiten Grenzen ohne weiteres aufnehmen. Durchmes­ sertoleranzen im Bereich der Fügestellen können bei dieser Art zu Fügen ebenfalls ohne weiteres, vor allem aber ohne strömungs­ hinderliche Vorsprünge aufgefangen werden.

Gegenüber der gattungsgemäß zugrunde gelegten Ausführung eines Fächerkrümmers liegen die Vorteile des erfindungsgemäßen Fächer­ krümmers in Folgendem:

• - Aufgrund der Stecktechnik können innerhalb eines relativ gro­ ßen Bereiches Längentoleranzen der Einzelteile beim Zusammen­ setzen des Fächerkrümmers ohne Beeinträchtigung der Schweiß­ qualität oder der Innenoberfläche des Abgasrohres ausgeglichen werden.
• - Die erforderlichen Schweißnähte sind alle von gleicher Art und Anordnung, nämlich umlaufende Kehlnaht; sie können alle in einer einzigen Werkstückaufspannung geschweißt werden.
• - Die einzusteckenden Rohrenden müssen nicht in aufwendiger Weise geformt werden (z. B. keine D-Form), sondern brauchen le­ diglich unter einem bestimmten Winkel abgeschnitten zu werden.
• - Über die Länge hinweg erforderlich werdende Änderungen des Rohrquerschnitts hinsichtlich Querschnittsform und/oder Quer­ schnittsfläche können ohne weiteres an den im IHU-Verfahren hergestellten Rohrabschnitten der zweiten Sammelebene ohne Mehrkosten angeformt werden.
• - Es entstehen beim Zusammensetzen und -schweißen des Fächer­ krümmers keine strömungshinderlichen Stufen.
• - Durch die beiden zuvor genannten Gründe lassen sich gute Strömungsverhältnisse in dem Abgassammler gewährleisten.
• - Aufgrund dieser Möglichkeit braucht bei der Bemessung des lichten Strömungsquerschnittes der Abgasleitungen keine "Re­ serve" berücksichtigt zu werden; vielmehr darf ohne ferti­ gungsbedingte Funktionseinbuße an der unteren Bemessungsgrenze dimensioniert werden, was einer - geringeren - Rohrgröße, den Kosten und dem Gewicht des Fächerkrümmers zugute kommt.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Fächerkrümmers im Vergleich zu einer Halbschalen-Bauweise eines Fächerkrümmers liegen in folgendem:

• - Es wird eine kostengünstige Fertigung ermöglicht, da die für eine Halbschalen-Bauweise erforderlichen, gesonderten Verzwei­ gungsstücke und deren Zwischenfügen vermieden wird.
• - Der Fächerkrümmer benötigt im Vergleich zu einer Ausführung mit gesonderten Verzweigungsstücken in Halbschalenbauweise we­ sentlich weniger Einzelteile, und zwar beispielsweise bei ei­ nem Fächerkrümmer mit endseitig vier Rohrabschnitten der er­ sten Sammelebene nur sechs Einzelteile gegenüber sonst 14 Ein­ zelteilen.
• - Es sind wesentlich weniger Schweißnähte zum Zusammenschweißen der geringeren Teilezahl erforderlich, und zwar beim gewählten Beispiel insgesamt nur fünf Umfangsnähte im Vergleich zu acht Umfangsnähten zuzüglich sechs Längsnähten an den halbschalig zusammengesetzten Verzweigungsstücken.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nach­ folgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht auf einen Fächerkrümmer von außen quer auf den zylinderkopfseitigen Flansch,

Fig. 2 eine Ansicht auf den Fächerkrümmer nach Fig. 1 parallel zu dem zylinderkopfseitigen Flansch und

Fig. 3 bzw. 4 jeweils eine Einzeldarstellung der beiden Rohrab­ schnitte der zweiten Sammelebene des Fächerkrümmers nach den Fig. 1 und 2.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen baumartig strukturierten, fä­ cherartigen Abgassammler - einen sog. "Fächerkrümmer" - zum Sam­ meln und Zusammenführen der Abgase einer - im Beispiel - vierzy­ lindrigen Brennkraftmaschine. Der Fächerkrümmer weist demgemäß vier von einem Flansch 8 ausgehende Einzelrohrabschnitte 1, 2, 3 und 4 in einer ersten Sammelebene 16 auf, von denen je einer einem Arbeitsraum der Brennkraftmaschine zugeordnet ist. Die aus gebogenen Rohren hergestellten Einzelrohrabschnitte sind zumin­ dest bis zu den später noch näher zu erwähnenden Vereinigungs­ stellen innerhalb des Fächerkrümmers untereinander in grober Nä­ herung etwa gleichlang ausgebildet und verlaufen unverzweigt. Sie sind paarweise zu ebenfalls untereinander etwa gleichlangen Strömungsstrecken einer zweiten Sammelebene 17 und diese wiede­ rum zu einem einheitlichen Rohrabschnitt einer dritten Sammel­ ebene 18 über Y-förmige Rohrausbildungen zusammengeführt. Die einzelnen, gebogenen und endseitig passend geformten und be­ schnittenen Rohrabschnitte des Fächerkrümmers sind lagegerecht zusammengefügt und dichtend zusammengeschweißt.

Um den Fächerkrümmer kostengünstig herstellen, aber dennoch zu­ gleich eine strömungsgünstige Führung der Abgase gewährleisten zu können, sind folgende Maßnahmen bzw. Merkmale an dem Fächer­ krümmer vorgesehen:

Die vier Einzelrohrabschnitte 1, 2, 3 und 4 der ersten Sammel­ ebene 16 sind bis in den Bereich der Vereinigung zur zweiten Sammelebene 17 hinein im Durchmesser und in der Querschnittsform gleichbleibend ausgebildet und dort endseitig lediglich unter einem bestimmten Winkel beschnitten. Die Rohrabschnitte sind als kostengünstig herstellbare Rohrbieger ausgebildet, die aus einem preiswerten, nicht vorbearbeiteten Vorprodukt, nämlich Rundroh­ ren gewonnen werden. Die einzusteckenden Rohrenden müssen nicht in aufwendiger Weise geformt werden (z. B. keine D-Form), sondern brauchen lediglich unter einem bestimmten Winkel abgeschnitten zu werden.

Die Rohrabschnitte 5, 6 der zweiten Sammelebene 17 sind für sich naht los ausgebildet und aus Rundrohren als Vorprodukt im Innen­ hochdruck-Umformverfahren (IHU-Verfahren) hergestellt, womit re­ lativ komplizierte Formen kostengünstig dargestellt werden kön­ nen. Die Rohrabschnitte 5, 6 der zweiten Sammelebene reichen - entgegen der Strömungsrichtung 7 - mit einem integrierten Über­ stand 19, 19′ baulich bis vor die Vereinigungsstelle 12 bzw. 12′ der beiden jeweils zugehörigen Einzelrohrabschnitte 1 und 4 bzw. 2 und 3 der ersten Sammelebene 16. Im Bereich der stromauflie­ genden Enden ist in die Rohrabschnitte der zweiten Sammelebene eine Y-artige Vereinigungsstelle 9 bzw. 10 integriert. Dadurch wird außer der stirnseitigen Öffnung 13 bzw. 13′ auch noch eine umfangsseitige Öffnung 14 bzw. 14′ geschaffen, so daß in jeder Öffnung je eines der vier Einzelrohrabschnitte der ersten Sam­ melebene angeschlossen werden kann. Die Einzelrohrabschnitte der ersten Sammelebene sind jeweils in die offenen, durchmessergrö­ ßeren Öffnungen 13, 13′, 14, 14′ der Y-artigen Vereinigungsstel­ len 9 und 10 eingesteckt und sind dort jeweils mittels einer um­ laufenden Kehlnaht 15 dichtend angeschweißt. Aufgrund der Steck­ technik können innerhalb eines relativ großen Bereiches Längen­ toleranzen der Einzelteile beim Zusammensetzen des Fächerkrüm­ mers ohne Beeinträchtigung der Schweißqualität oder der Innen­ oberfläche des Abgasrohres ausgeglichen werden, weil die Rohr­ abschnitte ohne weiteres mehr oder weniger Tief (Maß t) in die entsprechende Aufnahmeöffnung eingesteckt werden können. Es ent­ stehen beim Zusammensetzen und -schweißen des Fächerkrümmers keine strömungshinderlichen Stufen. Dieses Fügen erfolgt - ge­ meinsam mit dem weiter unten erläuterten Fügen der Rohrab­ schnitte für die Strömungspfade der zweiten zur dritten Sam­ melebene - in einer Aufspann- und Schweißvorrichtung. Die er­ forderlichen Schweißnähte sind alle gleicher Art und Anordnung, nämlich umlaufende Kehlnähte. Es können alle fünf umlaufenden Kehlnähte bei einer einzigen Werkstückaufspannung geschweißt werden.

Einer, und zwar der größere Rohrabschnitte 5 der zweiten Sammel­ ebene 17 reicht mit einem Überstand 20 in Strömungsrichtung 7 baulich bis hinter die Vereinigungsstelle 12′′ der beiden Strö­ mungspfade der zweiten Sammelebene 17 und weist nahe seines stromab liegenden Endes eine weitere Y-artige Vereinigungsstelle 11 zum seitlichen Anschließen des kleineren Rohrabschnittes 6 der zweiten Sammelebene auf. Der größere Rohrabschnitt 5 geht hinter der weiteren Y-artige Vereinigungsstelle 11 mit seinem stromab liegenden Überstand 20 in die dritte Sammelebene 18 über, wo ein weiterführendes Abgasrohr lösbar angeschlossen oder auch angeschweißt werden kann. Das Ende des kleineren Rohrab­ schnittes 6 der zweiten Sammelebene ist in die durchmessergröße­ re Öffnung 22 der weiteren Y-artigen Vereinigungsstelle 11 ein­ gesteckt und dort ebenfalls mittels einer umlaufenden Kehlnaht 15 dichtend angeschweißt.

Im Bereich der Zusammenführung von zwei Strömungspfaden muß der Rohrquerschnitt über die Länge hinweg vergrößert werden, um eine gleichbleibende Strömung gewährleisten zu können. Diese erfor­ derlichen Änderungen hinsichtlich Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche können ohne weiteres an den im IHU-Verfahren hergestellten Rohrabschnitten der zweiten Sammelebene ohne Mehr­ kosten angeformt werden. Die Vergrößerung des lichten Strömungs­ querschnitts vom Einzelquerschnitt der ersten Sammelebene 16 zu dem größeren Strömungsquerschnitt der zweiten Sammelebene 17 er­ folgt aufgrund einer entsprechenden Formgebung der Rohrwandung im Bereich der Überstände 19 bzw. 19′ der stromaufliegenden, Y- artige Vereinigungsstellen 9 und 10 durch das Formgebungswerk­ zeug des IHU-Verfahrens. In ganz entsprechender Weise muß auch der lichte Strömungsquerschnitt vom Einzelquerschnitt der zwei­ ten Sammelebene 17 zu dem größeren Strömungsquerschnitt der dritten Sammelebene 18 vergrößert werden, was auch hier im Be­ reich der stromab liegenden, weiteren, Y-artigen Vereinigungs­ stelle 11 aufgrund einer entsprechenden Formgebung der Rohrwan­ dung erfolgt. Diese Formgebung wird durch das beim IHU-Verfahren eingesetzte Formgebungswerkzeug ohne Zusatzkosten bewirkt.

Schließlich können auch platz- oder einbaubedingte Flachstellen 21 an den Rohrabschnitten 5, 6 der zweiten Sammelebene 17 ohne weiters durch eine Formgebung der Rohrwandung in diesem Bereich beim IHU-Verfahren angeformt werden. Der lichte Strömungsquer­ schnitt im Bereich dieser Flachstellen kann in einfacher Weise oval und in der lichten Querschnittsfläche größer als im Bereich des ungestörten Rundquerschnittes bemessen werden. Aufgrund die­ ser Möglichkeit braucht bei der Bemessung des lichten Strömungs­ querschnittes der Abgasleitungen keine "Reserve" berücksichtigt zu werden; vielmehr darf ohne fertigungsbedingte Funktionseinbu­ ße an der unteren Bemessungsgrenze dimensioniert werden, was ei­ ner geringeren Rohrgröße, den Kosten und dem Gewicht des Fächer­ krümmers zugute kommt.

Claims (4)

1. Baumartig strukturierter, fächerartiger Abgassammler - nach­ folgend kurz "Fächerkrümmer" genannt - zum Sammeln und Zusammen­ führen der Abgase einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, wo­ bei der Fächerkrümmer mehrere, je einem Arbeitsraum der Brenn­ kraftmaschine zugeordnete, untereinander etwa gleichlange, unver­ zweigte, gebogene Einzelrohrabschnitte in einer ersten Sammel­ ebene aufweist, die paarweise zu ebenfalls untereinander etwa gleichlangen Rohrabschnitten einer zweiten Sammelebene und diese wiederum zu einem einheitlichen Rohrabschnitt einer dritten Sam­ melebene über Y-förmige Rohrausbildungen zusammengeführt sind, wobei der Fächerkrümmer aus einzelnen, gebogenen und endseitig passend geformten und beschnittenen Rohrabschnitten zusammenge­ schweißt ist, gekennzeichnet durch die Gemeinsamkeit fol­ gender Merkmale:

• - die Einzelrohrabschnitte (1, 2, 3, 4) der ersten Sammelebene (16) sind bis in den Bereich der Vereinigung zur zweiten Sam­ melebene (17) hinein im Durchmesser und in der Querschnitts­ form gleichbleibend ausgebildet und dort endseitig annähernd eben und unter einem bestimmten Winkel beschnitten,
• - die für sich nahtlos ausgebildeten, im Innenhochdruck-Umform­ verfahren (IHU-Verfahren) hergestellten Rohrabschnitte (5, 6) der zweiten Sammelebene (17) reichen - entgegen der Strömungs­ richtung (7) - baulich bis vor die Vereinigungsstelle (12, 12′) der beiden zugehörigen Einzelrohrabschnitte (1 und 4 bzw. 2 und 3) der ersten Sammelebene (16) (Überstand 19, 19′) und weisen dort eine integrierte, Y-artige Vereinigungsstelle (9, 10) zum stirnseitigen (Öffnung 13, 13′) und umfangsseitigen Anschließen (Öffnung 14, 14′) je eines Einzelrohrabschnittes (1, 2, 3, 4) der ersten Sammelebene (16) auf,
• - die Einzelrohrabschnitte (1, 2, 3, 4) der ersten Sammelebene (16) sind jeweils in die offenen, durchmessergrößeren Öffnun­ gen (13, 13′, 14, 14′) der Y-artigen Vereinigungsstelle (9, 10) des Rohrabschnittes (5, 6) der zweiten Sammelebene (17) eingesteckt und sind dort jeweils mittels einer umlaufenden Kehlnaht (15) dichtend angeschweißt,
• - einer der Rohrabschnitte (5) der zweiten Sammelebene (17) reicht in Strömungsrichtung (7) baulich bis hinter die Verei­ nigungsstelle (12′′) der Rohrabschnitte (5, 6) der zweiten Sam­ melebene (17) (Überstand 20) und weist nahe seines stromab liegenden Endes eine weitere Y-artige Vereinigungsstelle (11) zum seitlichen Anschließen eines anderen Rohrabschnittes (6) der zweiten Sammelebene (17) auf, wobei das Ende des Rohrab­ schnittes (5) mit der weiteren Y-artigen Vereinigungsstelle (11) mit seinem stromab liegenden Ende (Überstand 20) in die dritte Sammelebene (18) übergeht,
• - der andere Rohrabschnitt (6) der zweiten Sammelebene (17) ist in die durchmessergrößere Öffnung (22) der weiteren Y-artigen Vereinigungsstelle (11) des einen Rohrabschnittes (5) der zweiten Sammelebene (17) eingesteckt und ist dort mittels ei­ ner umlaufenden Kehlnaht (15) dichtend angeschweißt.

2. Fächerkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung des lichten Strömungsquerschnitts vom Ein­ zelquerschnitt der ersten Sammelebene (16) zu dem größeren Strö­ mungsquerschnitt der zweiten Sammelebene (17) aufgrund einer entsprechenden Formgebung der Rohrwandung im Bereich der strom­ aufliegenden, Y-artige Vereinigungsstelle (9, 10) der Rohrab­ schnitte (5, 6) der zweiten Sammelebene (17) durch das IHU-Ver­ fahren erfolgt.

3. Fächerkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung des lichten Strömungsquerschnitts vom Ein­ zelquerschnitt der zweiten Sammelebene (17) zu dem größeren Strömungsquerschnitt der dritten Sammelebene (18) aufgrund einer entsprechenden Formgebung der Rohrwandung im Bereich der stromab liegenden, weiteren, Y-artigen Vereinigungsstelle (11) des Rohr­ abschnittes (5) der dritten Sammelebene (18) durch das IHU-Ver­ fahren erfolgt.

4. Fächerkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lichte Strömungsquerschnitt der Rohrabschnitte (5, 6) der zweiten Sammelebene (17) im Bereich von platzbedingten Flachstellen (21) dieser Rohrabschnitte (5, 6) aufgrund einer ovalen, in der lichten Querschnittsfläche größer als im Bereich des ungestörten Rundquerschnittes bemessenen Formgebung der Rohrwandung in diesem Bereich durch das IHU-Verfahren erfolgt.