DE19526086A1 - Abgasanlage einer Brennkraftmaschine und Verfahren zur Herstellung der Sammelkammer einer Abgasanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung der Sammelkammer einer Abgasanlage nach der Gattung des Patentanspruches 6.

Aus der DE 40 24 801 A1 ist eine derartige Abgasanlage einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der zwei Abgasrohre etwa senkrecht in eine zwischen zwei Katalysatoren angeordnete Sammelkammer einmünden. Die Sammelkammer und die jeweils angrenzenden Katalysatoren sind in einem ovalzylindrischen Metallgehäuse ausgebildet. Zum näheren Aufbau der Sammelkammer bzw. des Metallgehäuses und zu seinem Herstellverfahren sind in der angeführten Druckschrift keine näheren Angaben gemacht. Es sind jedoch zwei hauptsächlich an gewandte Herstellverfahren für eine derartige Sammelkammer bzw. ein entsprechendes Gehäuse bekannt. Zum einen werden derartige Gehäuse bzw. Sammelkammern im sogenannten Innen-Hochdruck-Umformverfahren (IHU) hergestellt. Desweiteren ist es bekannt, derartige Sammelkammern bzw derartige Gehäuse aus vorgeformten Halbschalen zusammenzusetzen. Die Herstellung einer derartigen Sammelkammer im Innen-Hochdruck-Umformverfahren führt insbesondere bei der Großserienfertigung zu relativ langen Fertigungszeiten, da der eigentliche Formvorgang für die Sammelkammer bzw. das Gehäuse zum Teil 30s und länger dauert. Dies führt zu langen Fertigungszeiten und ist daher sehr kostenintensiv. Darüber hinaus sind die für ein derartiges Herstellverfahren verwendbaren Grundwerkstoffe teuer, so daß auch die Kosten für das Ausgangsmaterial die Gesamtkosten bei der Herstellung einer derartigen Abgasanlage erhöhen. Beim Aufbau einer derartigen Abgasanlage mit Sammelkammer in Halbschalentechnik kommen neben den relativ hohen Werkzeugkosten Nachteile im Hinblick auf die Gesamtfestigkeit einer derartigen Abgasanlage und aufwendige Fertigungsschritte hinzu. Die Ausbildung einer derartigen Abgasanlage mit einer Sammelkammer im Halbschalenaufbau führt zu Verbindungsnähten (Schweißnähten) in erheblicher Länge. Darüber hinaus liegen diese Schweißnähte aus fertigungstechnischen Gründen zumindest teilweise im Bereich der eintretenden Abgasrohre, so daß einerseits aufwendig geformte Schweißnähte erforderlich sind, andererseits durch die in diesem Zusammenhang auftretenden Gefügeänderungen festigkeitsrelevante Eingriffe in spannungs- bzw. biegekritischen Bereichen vorgenommen werden.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlage nach der Gattung des Hauptanspruches dahingehend zu verbessern, daß sie einfacher aufgebaut und einfacher, schneller sowie kostengünstiger herzustellen ist. Weiterhin sollen insbesondere im Eintrittsbereich der Abgasrohre in die Sammelkammer günstige Querschnittsverläufe und Verbindungsverfahren ermöglicht werden, die im Hinblick auf Bauteilsteifigkeit, Spannungsverlauf und Dauerbiege-/Schwingfestigkeit verbessert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 6 gelöst.

Wird die Mantelfläche der Sammelkammer aus einem gewickelten Blech hergestellt, das mit einer Längsnaht zu einem Hohlkörper geschlossen ist, und verläuft die Längsnaht mit Abstand zu der Eintrittsstelle/den Eintrittsstellen, werden im Vergleich zum Halbschalenaufbau ungünstige Nahtverläufe im Eintrittsbereich der Abgasrohre vermieden. Dadurch werden auch Gefügeänderungen in diesem Bereich vermieden, so daß insgesamt eine geringere Bauteilsteifigkeit und eine verbesserte Dauerbiege- bzw. Schwingfestigkeit erreicht wird und weichere Übergänge an den Eintrittsstellen möglich sind. Dies führt im Vergleich zur Ausbildung in Halbschalentechnik zu wesentlichen Verbesserungen im Hinblick auf die Dauerfestigkeit einer derartigen Anlage. Darüber hinaus ist die Fertigung gegenüber der Halbschalenbauweise vereinfacht bzw. kostengünstiger, da durch den vergleichsweise kurzen Nahtbereich ein wesentlich geringerer Schweißaufwand erforderlich ist.

Gegenüber dem Innen-Hochdruck-Umformverfahren (IHU) sind wesentlich günstigere Ausgangswerkstoffe für die Ausbildung einer derartigen Abgasanlage einsetzbar, so daß allein durch die Materialauswahl erhebliche Kosteneinsparungen zu erzielen sind. Darüber hinaus ist eine derartig ausgebildete Abgasanlage schneller zu fertigen, so daß auch damit wesentliche Kostenvorteile zu erzielen sind.

Die Fertigung einer derartigen Abgasanlage wird vereinfacht, wenn die Längsnaht auf der den Eintrittsstellen gegenüberliegenden Seite des Mantels ausgebildet ist. Dadurch ist in bezug auf die Eintrittsstellen ein beidseitig gleichmäßig gekrümmter Formverlauf möglich, der besonders einfach zu biegen ist. Darüber hinaus wird durch die relativ große Entfernung zwischen den Eintrittsstellen und der Längsnaht das Auftreten von unerwünschten Spannungsverläufen vermieden.

Die Verbindung der Abgasrohre mit der Sammelkammer läßt sich besonders einfach herstellen und weist einen im Hinblick auf die Dauerfestigkeit günstigeren Verlauf auf, wenn im Bereich der Eintrittsstellen nach außen gezogene, umlaufende Ränder ausgebildet sind, die mit den einmündenden Abgasrohren verbunden sind. Diese umlaufenden Ränder können durch einen relativ einfachen Umformvorgang aus einem vorgeformten Blechelement ausgebildet werden. Durch entsprechende Formgebung ist ein im Hinblick auf die Biegefestigkeit bzw. Biegesteifigkeit günstiger Übergang zwischen Mantel und Abgasrohr sichergestellt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Letztere zeigt in

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine und deren Abgasanlage,

Fig. 2 eine nur teilweise dargestellte Ansicht dieser Abgasanlage, teilweise im Schnitt,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Sammelkammer der Abgasanlage entlang der Linie III-III nach Fig. 2.

Eine in ein Kraftfahrzeug eingebaute Brennkraftmaschine weist - ohne Beschränkung auf diese Ausführungsform - zwei Zylinderreihen 1, 2 in Boxeranordnung auf. An deren Zylinderköpfen 3, 4 sind von einzelnen Zylindern 5 ausgehende Abgasrohre 6 angeordnet, die je Zylinderreihe 1, 2 in einem Stutzen 7 zusammengeführt sind. An diese Stutzen sind weiterführende Sammel-Abgasrohre 8 angeschlossen, die das Abgas der Zylinderreihen 1, 2 einem Gehäuse 9 zuführen. Dieses Gehäuse 9 erstreckt sich an der Rückseite der Brennkraftmaschine quer zu deren Längsrichtung F und weist im Querschnitt eine etwa kreisförmige Form auf (Fig. 3). Die beiden Sammel-Abgasrohre 8 münden in eine zentral in diesem Gehäuse 9 ausgebildete Sammelkammer 10, an deren beiden Stirnseiten sich jeweils ein aus zwei Monolithen 11 ausgebildeter Katalysator 12 anschließt. Auf der der Sammelkammer 10 abgewandten Stirnseite der Katalysatoren 12 ist das Gehäuse 9 durch jeweils einen Anschlußdeckel 13 verschlossen, von dem eine Rohrleitung 14 ausgeht, die in einen Endschalldämpfer 15 mündet, der über ein Endrohr 16 mit der Atmosphäre verbunden ist.

Die Sammelkammer 10 hat einen zylinderförmigen Mantel 17, der aus einem gewickelten Blech besteht und an seinen Stirnseiten vom Mantel 18 des jeweils angrenzenden Katalysators 12 und einem diesen umfassenden Gehäuse 19 umschlossen ist. Die stirnseitigen Enden der Sammelkammer 10 bzw. deren Mantel 17, der Mantel 18 des Katalysators 12 und das weiterführende Gehäuse 19 sind durch eine - nicht näher dargestellte - umlaufende Schweißnaht fest miteinander verbunden. Der Mantel 17 der Sammelkammer 10 besteht - wie bereits zuvor angeführt - aus einer ebenen Blechplatine, die durch Wickeln und Verschweißen an einer Längsnaht 20 zu einem zylindrischen Rohr umgeformt ist. Der Längsnaht 20 gegenüberliegend sind im Mantel 17 zwei Eintrittsöffnungen 21 ausgebildet, die jeweils mit einem umlaufenden Rand 22 versehen sind. Diese bilden jeweils eine Art Hülse, in die die freien Enden 23 der Sammel-Abgasrohre 8 eingesteckt sind. Durch eine umlaufende - nicht näher dargestellte - Schweißnaht im Bereich des stirnseitigen Endes der hülsenförmigen Ränder 22 sind die Sammel-Abgasrohre 8 und der Mantel 17 fest miteinander verbunden.

In Zusammenhang mit zukünftigen gesetzlichen Grenzwerten bzw. Überwachungsvorschriften (OBD II) kann eine Trennung der Abgasstränge der Zylinderreihen 1 und 2 erforderlich sein. Dazu ist es möglich, in die Sammelkammer 10 eine Trennwand 24 einzusetzen, die aus einem etwa tellerförmigen Blech besteht und bei der Montage von einer der offenen Stirnseiten in die Sammelkammer 10 eingebracht und zwischen den beiden Eintrittsöffnungen 21 positioniert und befestigt wird.

Der Mantel 17 der Sammelkammer 10 besteht - wie zuvor angeführt - aus einem gewickelten Blech. Das Ausgangswerkstück für die Sammelkammer 10 bzw. deren Mantel 17 ist eine ebene Blechplatine, die in mehreren Verfahrensschritten umgeformt ist. Die auf die bestimmungsgemäßen Abmessungen zugeschnittene ebene Blechplatine wird in einem ersten Formschritt U-förmig umgebogen, wobei der Krümmungsradius dem Radius der Sammelkammer 10 entspricht. In die gekrümmte Mantelfläche des U-förmigen Zwischenstückes werden durch einen Formstempel und eine Gegenform nach außen weisende Dome bzw. Stutzen gezogen. In einem weiteren Verfahrensschritt werden diese Dome im Bereich ihres Deckels vorgelocht und anschließend so aufgeweitet, daß die Wände etwa parallel verlaufen und ihr Innendurchmesser dem Außendurchmesser der Abgasrohre 8 entspricht. Diese vorgelochten bzw. aufgeweiteten Ränder der Dome entsprechen den hülsenförmigen Rändern 22, die zur Aufnahme der Abgasrohre 23 dienen. Im nächsten Verfahrensschritt werden die parallelen Schenkel des U-förmigen Zwischenteiles eingerollt, so daß sich eine zylinderförmige Form ausbildet. Die beiden nunmehr aneinander liegenden Stirnseiten des gewickelten Bleches werden durch Schweißen in einer Längsnaht miteinander verbunden. Andere Formen der Schweißnaht sind ohne weiteres möglich. So kann die Längsnaht beispielsweise überlappend oder mit abgebogen Rändern ausgeführt sein. In weiteren Verfahrensschritten werden die Abgasrohre 8 in die Eintrittsöffnungen 21 mit ihren umlaufenden Rändern 22 eingesetzt und durch eine Ringnaht mit dem Mantel 17 verbunden. Die stirnseitigen Enden der Sammelkammer werden mit dem Mantel 18 der Katalysatoren 12 und dem weiterführenden Gehäuse 19 verbunden. Dies erfolgt ebenfalls über eine umlaufende, ringförmige Schweißnaht.

Die Querschnittform des Mantels 17 der Sammelkammer 10 ist nicht auf die beschriebene Kreiszylinderform beschränkt. Es ist ohne weiteres möglich, beispielsweise ovalzylindrische oder auch im Querschnitt unsymmetrische gewölbte Mantelbereiche auszubilden.

Die beschriebene Ausbildung einer Sammelkammer kann ohne weiteres auch bei der Zusammenführung mehrerer Abgasrohre beispielsweise im Abgasrohrkrümmerbereich angewendet werden. So kann im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel anstelle des Stutzens 7 eine entsprechend aufgebaute Sammelkammer angeordnet werden, in die beispielsweise zwei Abgasrohre seitlich (in den Mantel) und ein Abgasrohr stirnseitig münden.

Claims (7)

1. Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einer Sammelkammer (10) mit einem über zumindest einen Teil seiner Länge gewölbten, aus Blech geformten Mantel (17) und zumindest einem in die Sammelkammer seitlich eintretenden Abgasrohr (8), wobei die Eintrittsstelle (21) des Abgasrohres in der Mantelfläche liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (17) der Sammelkammer aus einem gewickelten Blech besteht, und daß die beiden umfangsseitigen Enden des Bleches mit einer Längsnaht (20) verbunden sind, die mit Abstand zu der Eintrittsstelle/den Eintrittsstellen (21) verläuft.

2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsnaht (20) in dem der Eintrittsstelle/den Eintrittsstellen (21) gegenüberliegenden Bereich des Mantels (17) ausgebildet ist.

3. Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Eintrittsstellen (21) in dem Mantel (17) ausgebildet sind, die in Längsrichtung, etwa parallel zur Längsnaht (20) angeordnet sind.

4. Abgasanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsstellen (21) aus der Mantelfläche nach außen gezogene, umlaufende Ränder (22) aufweisen, die mit den einmündenden Abgasrohren (8) verbunden sind.

5. Abgasanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (17) zylindrisch ausgebildet ist.

6. Verfahren zur Herstellung der Sammelkammer einer Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

• - Biegen einer ebenen Blechplatine in U-Form,
• - Ausformen eines Domes/von Domen für das Abgasrohr/die Abgasrohre (8),
• - Ausbilden einer Öffnung im Dom,
• - Einrollen der U-förmigen Blechplatine,
• - Herstellen einer Längsnaht (20).

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausbilden der Öffnung im Dom in zwei Teilschritten erfolgt:

• - Vorlochen des Domes,
• - Aufweiten der vorgelochten Öffnung