DE19514020A1 - Abgassammelrohr, insbesondere für eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgassammelrohr, insbesondere für eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sammelroh­ res.

Aus der DE 35 00 568 A1 ist ein Auspuffkrümmer aus hitzebe­ ständigem Stahlblech bekannt, der aus einer Sammelleitung mit mehreren zu den Auslaßöffnungen des Zylinderkopfes füh­ renden Anschlußstutzen besteht. Die jeweiligen Rohrab­ schnitte des Auspuffkrümmers sind mit Dehnwellen versehen, so daß der Krümmer insgesamt axial nachgiebig ausgebildet ist. Auf diese Weise wirken die Dehnwellen als Kompensato­ ren, welche die infolge von Temperaturwechseln auftretenden Längenänderungen ausgleichen.

Die Herstellung derartiger Abgassammelrohre erfolgt durch Innen-Hochdruck-Umformung, wobei das Rohr in einem entspre­ chenden Formwerkzeug aufgenommen wird, welches die Lage und Größe der Dehnwellen bestimmt. Da bei dem bekannten Rohr ein axiales Nachschieben des Materials während der Innen- Hochdruck-Umformung nur unzureichend möglich ist, tritt im Bereich der Dehnwellen eine erhebliche Materialschwächung auf. Außerdem treten im Bereich der Wellen durch die in kurzen Abständen folgenden Querschnittsänderungen Verwirbe­ lungen des Abgasstromes auf, die zu Strömungsverlusten und einer erhöhten Geräuschemission führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Abgas­ sammelrohr der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen, das auf einfache Weise herstellbar ist und bei dem die Geräuschemission reduziert, die Strömungs­ verluste verringert und die Lebensdauer des Abgassammelroh­ res erhöht ist. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Abgassammelrohres anzu­ geben.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Abgassammelrohres durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 13 gelöst.

Da das Gasführungsrohr auf einfache Weise durch einen ver­ längerten Stutzen eines Rohrabschnittes gebildet wird, wer­ den die Herstellungskosten hierdurch nicht erhöht. Das Gas­ führungsrohr vermeidet Strömungsverluste und reduziert die Geräuschemission und führt außerdem zu einer erhöhten Le­ bensdauer des Abgassammelrohres.

Der Stutzen, der das Gasführungsrohr bildet, kann unter­ schiedlich geformt sein, wobei hierfür insbesondere eine zylindrische Form oder ein Konus mit geringem Winkel geeig­ net sind. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß der Stutzen an einem Rohrabschnitt und der Kompensator am benachbarten Rohrabschnitt ausgebildet ist, wobei das freie Ende des Kompensators den anderen Rohrabschnitt dich­ tend umschließt. Aufgrund dieser Ausgestaltung ist es mög­ lich, bei der Formung des Kompensators das Material des Rohrabschnittes in axialer Richtung nachzuführen, so daß keine nennenswerte Schwächung des Materials bei der Bildung der Dehnwellen auftritt. Da das freie Ende des Kompensators an der Außenwandung des benachbarten Rohrabschnitts an­ liegt, kann eine gasdichte Verbindung auf einfache Weise mittels einer Schweißnaht erzeugt werden. Das freie Ende des Kompensators ist dabei vorzugsweise durch einen zylin­ drischen Verbindungsabschnitt gebildet, dessen Innendurch­ messer dem Außendurchmesser des benachbarten Rohrabschnitts entspricht.

Das Gasführungsrohr erstreckt sich zweckmäßigerweise minde­ stens über die axiale Länge des Kompensators, wobei das vordere Ende des Gasführungsrohres in den benachbarten Rohrabschnitt ragt. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß auch bei axialer Verlängerung des Kompensators infolge Temperaturänderung das Gasführungsrohr stets bis in den zy­ lindrischen Bereich des nachfolgenden Rohrabschnitts reicht. Für das Abgassammelrohr können unterschiedliche Werkstoffe verwendet werden, wobei auch die einzelnen Rohr­ abschnitte im Hinblick auf die an sie gestellten Anforde­ rungen aus verschiedenen Materialien bestehen können. Als eine bevorzugte Ausführung wird dabei angesehen, daß der Rohrabschnitt, an welchem der Kompensator ausgebildet ist, aus einem mehrwandigen Material mit mindestens zwei Materi­ alschichten und der andere Rohrabschnitt aus einem einwan­ digen Material besteht.

Eine andere Ausgestaltung des Abgassammelrohres besteht darin, daß beide Rohrabschnitte aus einem mehrwandigen Ma­ terial bestehen, wobei die Materialschichten der Rohrab­ schnitte aus separaten Innenrohren und einem gemeinsamen Außenrohr gebildet sind. Dabei sind die Innenrohre an den benachbarten Enden der Rohrabschnitte als Stutzen ausge­ führt, die jeweils einen Teil des Gasführungsrohres bilden, und das Außenrohr reicht zumindest teilweise über beide Rohrabschnitte. Im Bereich der axialen Länge der Stutzen ist das Außenrohr als Kompensator ausgebildet. Durch eine derartige Ausführung ist das spätere Zusammenfügen der Rohrabschnitte und Herstellen einer gasdichten Verbindung nicht erforderlich.

Bei der Ausführung des Abgassammelrohres bzw. von Rohrab­ schnitten desselben aus mehrschichtigem Material wird es als vorteilhaft angesehen, daß die radial äußere Material­ schicht aus einem ferritischen Stahl und die radial innere Materialschicht aus einem austenitischen Stahl besteht. Rohrabschnitte aus mehrwandigem Material haben dabei den Vorteil der geringeren Federsteifigkeit bei gleicher Außen­ kontur, da diese proportional mit der Wandstärke ansteigt.

Die Rohrabschnitte und insbesondere derjenige, an welchem der Kompensator ausgebildet ist, besteht vorzugsweise aus einem durch Innen-Hochdruck-Umformung gestalteten Rohr. Im allgemeinen dürfte es ausreichend sein, daß die Kompensato­ ren vorzugsweise zwei Dehnwellen umfassen, wobei der axiale Abstand zwischen den beiden äußeren Wellenkuppen etwa das 1,5-fache bis 1,7-fache der radialen Differenz zwischen äu­ ßerer und innerer Wellenkuppe beträgt. Auf diese Weise wer­ den enge Radien zur Bildung der Dehnwellen und dadurch be­ dingte Materialdehnungen vermieden. Selbstverständlich kann je nach Anforderung und Konstruktionsvorgabe eine andere Form und Zahl der Dehnwellen vorgesehen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Abgassammelrohr mit mehreren Rohrabschnitten und zwei Kompensatoren,

Fig. 2a einen Rohrabschnitt mit Gasführungsrohr im Schnitt,

Fig. 2b einen Rohrabschnitt mit Kompensator im Schnitt,

Fig. 2c die Rohrabschnitte der Fig. 2a und 2b im zusammen gefügten Zustand,

Fig. 3 eine Ausführungsvariante zu Fig. 2c,

Fig. 4a bis 4d mehrere Verfahrensschritte zur Herstellung eines Abgassammelrohres gemäß Fig. 3.

In Fig. 1 ist ein Abgassammelrohr 1 dargestellt, das vier Anschlußstutzen 2, 3, 4 und 5 mit zugehörigen Flanschen 12, 13, 14 und 15 sowie die Anschlußstutzen verbindende Rohr­ abschnitte 7, 8 und 9 umfaßt und zum Anbau an den Zylinder­ kopf einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug dient. Ausgangsseitig ist an das Abgassammelrohr 1 eine Abgaslei­ tung 6 angeschlossen, die mit dem Rohrabschnitt 9 verbunden ist. Der Rohrabschnitt 9 weist zwei Aushalsungen 16 und 17 auf, an denen die Anschlußstutzen 4 und 5 angeschweißt sind. Der erste Anschlußstutzen 2 ist einstückig mit dem ersten Rohrabschnitt 7 ausgeführt und der mittlere Rohrab­ schnitt 8 weist eine Aushalsung 18 auf, an welcher der An­ schlußstutzen 3 angeschweißt ist.

Zum Dehnungsausgleich bei Temperaturwechseln ist zwischen den Rohrabschnitten 7 und 8 ein erster Kompensator 10 und zwischen den Rohrabschnitten 8 und 9 ein zweiter Kompensa­ tor 11 vorgesehen. Diese Kompensatoren 10, 11 umfassen zwei Dehnwellen 20, 21 und sind einstückig an einem der Rohr­ stücke 8 bzw. 9 angeformt. Das jeweils benachbarte Rohr­ stück 7 bzw. 8 besitzt einen Stutzen 19, der in den Kompen­ sator 10 bzw. 11 des anderen Rohrstückes 8 bzw. 9 ragt und etwa bis an das entfernt liegende axiale Ende des Kompensa­ tors 10 bzw. 11 reicht und auf diese Weise ein Gasführungs­ rohr 22 bildet.

In Fig. 2a in 2b sind ein Rohrabschnitt 25 mit einer Aus­ halsung 27 und ein Rohrabschnitt 26 mit einer Aushalsung 28 dargestellt, wobei der Rohrabschnitt 25 auf seiner dem Rohrabschnitt 26 zugewandten Seite einen Stutzen 29 auf­ weist, der als Verlängerung des Rohrabschnitts 25 mit glei­ chem Durchmesser anzusehen ist. Der Rohrabschnitt 25 be­ steht im dargestellten Beispiel aus einem einwandigen Rohr, es kann aber auch ein mehrwandiges Rohr vorgesehen werden, wie dies am Beispiel der Fig. 2b gezeigt ist.

Der in Fig. 2b dargestellte Rohrabschnitt 26 besteht aus zwei Wandschichten, wobei die radial äußere Materialschicht mit 23 und die radial innere Materialschicht mit 24 be­ zeichnet ist. Für die Materialschichten sind verschiedene Werkstoffkombinationen geeignet, bspw. kann die innere Schicht aus einem hitzebeständigen austenitischen Stahl und die äußere Schicht aus einem ferritischen Stahl bestehen. Auf der dem Rohrabschnitt 25 zugewandten Seite ist an dem Rohrabschnitt 26 ein Kompensator 30 angeformt, der aus zwei Dehnwellen 31 und 32 gebildet wird und an seinem vorderen Ende einen zylindrischen Verbindungsabschnitt 33 besitzt, dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Stutzens 29 angepaßt ist. Im übrigen ist der Durchmesser des Rohrabschnitts 26 größer als derjenige des Verbindungs­ abschnitts 33.

Die Fig. 2c zeigt die zu einem Abgassammelrohr 35 zusammen­ gesetzten Rohrabschnitte 25 und 26, wobei der Stutzen 29 des Rohrabschnitts 25 soweit in den Rohrabschnitt 26 ge­ steckt ist, daß er ein den Kompensator 30 über seine gesam­ te axiale Länge durchragendes Gasführungsrohr 36 bildet. Der Verbindungsabschnitt 33 ist mittels einer Schweißnaht 34 gasdicht am Rohrabschnitt 25 befestigt.

Die in Fig. 3 gezeigt Ausführungsform eines Abgassammelroh­ res 40 umfaßt zwei Rohrabschnitte 41 und 42 aus zweischich­ tigem Material, wobei die Rohrabschnitte aus einem Innen­ rohr 43 und 44 und einem sich über die Gesamtlänge erstrec­ kenden Außenrohr 45 bestehen. Die Innenrohre 43, 44 sind an ihren sich gegenüberliegenden Enden als konische Stutzen 46, 47 ausgebildet, deren Stirnseiten 46′, 47′ einen gerin­ gen Abstand zueinander aufweisen. Im Bereich der axialen Länge beider Stutzen 46, 47 ist das Außenrohr 45 als Kom­ pensator 48 ausgebildet, der zwei Dehnwellen 49, 49′ um­ faßt. Die Innenrohre 43, 44 besitzen vorzugsweise eine grö­ ßere Wandstärke als das Außenrohr. Die Dehnwellen 49, 49′ des Kompensators sind bevorzugt so gestaltet, daß der axia­ le Abstand A zwischen den Wellenkuppen 50 und 50′ etwa das 1,5-fache bis 1,7-fache der radialen Differenz D zwischen der äußeren Wellenkuppe 50 und einer inneren Wellenkuppe 51 beträgt. Auf diese Weise werden kleine Biegeradien und die dadurch bedingten großen Materialspannungen vermieden.

Das in Fig. 3 gezeigte Abgassammelrohr 40 ist an beiden Rohrabschnitten 41 und 42 mit Aushalsungen 28 versehen, die der entsprechenden Aushalsung in Fig. 2c entsprechen. Der Spalt zwischen den beiden Stirnseiten 46′ und 47′ der Stut­ zen 46 und 47 befindet sich, bezogen auf die Längsachse des Abgassammelrohres 40, in derselben Ebene wie die innere Wellenkuppe 51 des Kompensators 48, so daß die innere Wel­ lenkuppe 51 als radiale Abdeckung des Spaltes dient. Die beiden Stutzen 46 und 47 bilden gemeinsam ein Gasführungs­ rohr 52.

Die Fig. 4a zeigt das Außenrohr 45, in das seitlich die In­ nenrohre 43 und 44 mit ihren konischen Stutzen 46 und 47 eingeführt werden. Die Innenrohre 43 und 44 werden durch Kraftbeaufschlagung in Richtung der Pfeile 59 in das Außen­ rohr 45 eingepreßt. Dabei ist die Länge der Innenrohre 43 und 44 so bemessen, daß bei bündigem Abschluß der jeweili­ gen äußeren Enden der Innenrohre 43 und 44 mit dem Außen­ rohr 45 in der Mitte ein Abstand zwischen den Stirnseiten 46′ und 47′ der Stutzen 46 und 47 verbleibt, wie dies in Fig. 4b gezeigt ist.

Das in Fig. 4b dargestellte und aus den Innenrohren 43, 44 und dem Außenrohr 45 bestehende Verbundrohr wird dann in ein Formwerkzeug 37 eingelegt, das ein Oberteil 38 und ein Unterteil 39 umfaßt. Das Oberteil 38 weist in der Mitte zwei Abschnitte von in Umfangsrichtung der Form verlaufen­ den Ringnuten 54, 55 auf und seitlich davon sind Aussparun­ gen 56, 57 vorgesehen, welche die Kontur der Aushalsungen aufweisen. Das Unterteil 39 ist ebenfalls mit Abschnitten der Ringnuten 54, 55 versehen, so daß bei geschlossenem Formwerkzeug 37 vollständige Ringnuten 54, 55 gebildet sind.

Durch Einführen von Dornen 53 und 58 in die seitlichen En­ den des Verbundrohres wird dieses dichtend verschlossen. Nachdem das Oberteil 38 und das Unterteil 39 des Formwerk­ zeugs 37 die in Fig. 4c dargestellte geschlossene Stellung einnehmen, wird dem Innenraum des Verbundrohres Druck zuge­ führt, so daß sich die in Fig. 4d gezeigte Druckbeaufschla­ gung Pi ergibt. Da in dem Bereich der Ringnuten 54 und 55 lediglich das Außenrohr 45 vorhanden ist, bewirkt der In­ nendruck eine Aufweitung des Außenrohres in die Ringnuten 54 und 55 des Formwerkzeugs 37 hinein. Damit dies nicht zu einer Materialdehnung des Außenrohres führt, werden durch Kraftbeaufschlagung der Dorne 53 und 58 in Richtung der Pfeile 59 die Rohrabschnitte 41 und 42 zur Mitte hin nach­ geführt, wodurch auch der Abstand der Stirnseiten der In­ nenrohre 43 und 44 geringer wird.

Die Verformung des Außenrohres 45 und das axiale Nachführen der Rohrabschnitte 41 und 42 erfolgt so weit, bis die Form der Ringnuten 54 und 55 im Formwerkzeug 37 exakt nachgebil­ det ist. Ebenfalls durch Innendruckbeaufschlagung erfolgt die Ausformung der in Fig. 3 dargestellten Aushalsungen 28, wobei das Material der Rohrwandabschnitte 41 und 42 in die Aussparungen 56 und 57 gedrückt wird. Der Innendruck wird dann vollständig abgebaut und anschließend können die Dorne 53 und 58 ausgefahren und die Teile 38 und 39 des Formwerk­ zeugs 37 geöffnet werden.

Claims (15)

1. Abgassammelrohr (1, 35, 40) insbesondere für eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug mit minde­ stens zwei Anschlußstutzen (2, 3, 4, 5), die über Rohrabschnitte (7, 8, 9, 25, 26, 41, 42) miteinander verbunden sind und mit einem Kompensator (10, 11, 30, 48) zwischen zwei Rohrabschnitten (7, 8 bzw. 8, 9; 25, 26; 41, 42), der zum Ausgleich der Längenänderung infolge Temperaturwechsel dient, dadurch gekennzeich­ net, daß innerhalb des Kompensators (10, 11, 30, 48) ein Gasführungsrohr (22, 36, 52) angeordnet ist, das durch verlängerte Stutzen (19, 29, 46, 47) von minde­ stens einem der Rohrabschnitte (7, 25, 41, 42) gebil­ det wird.

2. Abgassammelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der das Gasführungsrohr (22, 36) bildende Stutzen (19, 29) eine zylindrische oder ovale Form aufweist.

3. Abgassammelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der das Gasführungsrohr (52) bildende Stutzen (46, 47) konisch geformt ist.

4. Abgassammelrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stutzen (19, 29) an einem Rohrabschnitt (7, 25) und der Kompensator (10, 30) am benachbarten Rohrabschnitt (8, 26) ausgebildet ist, wobei das freie Ende des Kompensators (10, 30) den anderen Rohrabschnitt (7, 25) dichtend umschließt.

5. Abgassammelrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das freie Ende des Kompensators (30) durch einen zylindrischen Verbindungsabschnitt (33) gebildet ist, dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser des be­ nachbarten Rohrabschnitts (25) entspricht.

6. Abgassammelrohr nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gasführungsrohr (22, 36) sich mindestens über die Länge des Kompensators (10, 30) erstreckt und das vordere Ende des Gasführungsrohres (22, 36) in den benachbarten Rohrabschnitt (8, 26) ragt.

7. Abgassammelrohr nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabschnitt (26), an welchem der Kompensa­ tor (30) ausgebildet ist, aus einem mehrwandigen Ma­ terial mit mindestens zwei Materialschichten (23, 24) und der andere Rohrabschnitt (25) aus einwandigem Ma­ terial besteht.

8. Abgassammelrohr nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß beide Rohrabschnitte (41, 42) aus einem mehrwan­ digen Material bestehen, wobei die Materialschichten der Rohrabschnitte (41, 42) aus separaten Innenrohren (43, 44) und einem gemeinsamen Außenrohr (45) gebil­ det sind und die Innenrohre (43, 44) an den benach­ barten Enden der Rohrabschnitte (41, 42) als Stutzen (46, 47) ausgeführt sind, die jeweils einen Teil des Gasführungsrohres (52) bilden und das Außenrohr (45) zumindest teilweise über beide Rohrabschnitte (41, 42) reicht und über die axiale Länge der Stutzen (46, 47) als Kompensator (48) ausgebildet ist.

9. Abgassammelrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stirnseiten (46′, 47′) der Stutzen (46, 47) beider Rohrabschnitte (41, 42) in geringem Abstand zueinander angeordnet sind.

10. Abgassammelrohr nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die radial äußere Materialschicht (23) aus einem ferritischen Stahl und die radial innere Material­ schicht (24) aus einem austenitischen Stahl besteht.

11. Abgassammelrohr nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Rohrabschnitt (8, 26, 41, 42), an welchem der Kompensator (10, 30, 48) ausgebildet ist, aus einem durch Innen-Hochdruck-Umformung gestalteten Rohr besteht.

12. Abgassammelrohr nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator (10, 11, 30, 48) zwei Dehnwellen (20, 21; 31, 32; 49, 49′) umfaßt, wobei der axiale Abstand (A) zwischen den beiden äußeren Wellenkuppen (50, 50′) etwa das 1-fache bis 2-fache der radialen Differenz (D) zwischen äußerer und innerer Wellenkup­ pe (50 und 51) beträgt.

13. Verfahren zur Herstellung eines Abgassammelrohres (40) mit einem zwei Rohrabschnitte (41, 42) verbin­ denden Kompensator (48), wobei die Rohrabschnitte (41, 42) aus mehrwandigem Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Außenrohr (45) von jeder Seite ein Innen­ rohr (43, 44) so weit eingebracht wird, daß ein vor­ gegebener Abstand zwischen den Stirnseiten (46′, 47′) der Innenrohre (43, 44) verbleibt, die Innenrohre (43, 44) mit radialer Pressung an der Innenwand des Außenrohres (45) anliegen und ein Verbundrohr bilden, welches in ein Formwerkzeug (37) eingelegt und an den seitlichen Enden dichtend verschlossen wird, wobei das Formwerkzeug (37) im Bereich des Abstandes zwi­ schen den Innenrohren (43, 44) die Kontur des zu bil­ denden Kompensators (48) aufweist, und daß durch In­ nendruckbeaufschlagung des Verbundrohres und gleich­ zeitiger axialer Kraftbeaufschlagung der Enden des Verbundrohres gegeneinander das Außenrohr (45) an die Wand des Formwerkzeugs (37) gedrückt wird und deren Kontur nachbildet.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenrohre (43, 44) mittels Einpressen oder Einschrumpfen in das Außenrohr (45) eingebracht wer­ den.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch die Innendruckbeaufschlagung der Rohrab­ schnitte (41, 42) in durch das Formwerkzeug (37) vor­ gegebene Aussparungen (56, 57) eine Verformung des Innenrohres (43, 44) und des Außenrohres (45) erfolgt und auf diese Weise gleichzeitig Aushalsungen (28) geformt werden.