DE19628798A1 - Abgaskrümmer zur Abgasführung aus einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer zur Abgasführung aus einer Brennkraftmaschine, der im Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1 angegebenen Gattung.

Die EP 0 582 985 A1 beschreibt einen Abgaskrümmer zur Ab­ gasführung aus einem Verbrennungsmotor, welcher aus einem mehrere Innenschalen umfassenden Innenkrümmer und einer diesen mit Abstand umgebenden Außenschale besteht, welche aus an ihren Rändern miteinander verbundenen Schalenteilen gebildet ist, und den Innenkrümmer an seinen in Flanschmit­ tel geführten Enden umschließt. Der Innenkrümmer ist durch Eingangsflansche an mehrere im Abstand zueinander angeord­ nete Zylinderausgangskanäle der Brennkraftmaschine ange­ schlossen und mittels eines Ausgangsflansches mit einem Ab­ gasrohr verbunden. Mit Ausnahme eines Bereiches der Ein­ gangsflansche und eines Bereiches des Abgangsflansches sind der Innenkrümmer und die Außenschale voneinander beabstan­ det angeordnet, wodurch ein Zwischenraum geschaffen ist, der zur Luftspaltisolierung dienen oder mit einem Isolier­ stoff gefüllt sein kann, so daß einer Wärmeübertragung von der Wand des Innenkrümmers auf die Außenschale entgegenge­ wirkt ist. Der Innenkrümmer sowie die Außenschale bestehen aus Blech, wobei die Außenschale eine größere Wandstärke aufweist als der Innenkrümmer.

Bei der bekannten Anordnung ist die Form der Außenschale im Abgangsbereich derart ausgebildet, daß in Durchströmungs­ richtung des Abgases hintereinanderliegende Querschnitte annähernd gleich sind und eine etwa kreisförmige Kontur aufweisen. Die Außenschale besteht aus zwei Halbschalen, welche in ihren Randbereichen zusammengefügt sind, wobei der Querschnitt der Außenschale in diesen Bereichen die größte Materialanhäufung aufweist. Auf diese Weise setzt die Außenschale einer äußeren Kraftbelastung in Richtung der die Randbereiche verbindenden Achse die größtmögliche Biegesteifigkeit entgegen. Bedingt durch das Prinzip der Luftspaltisolierung verläuft die Außenschale in weiten Be­ reichen ungestützt, weshalb sie bei verschieden gerichteten Krafteinleitungen infolge Eigen- und Resonanzschwingungen rasch einer Materialermüdung erliegt. Dieser Nachteil der bekannten Anordnung wird besonders dann deutlich, wenn die Konstruktion der Brennkraftmaschine eine lange Ausführung des Abgangsbereiches des Abgaskrümmers erforderlich macht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Abgaskrümmer der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Gattung derart weiterzubilden, daß die Lebensdauer erhöht wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Abgaskrümmer zur Abgasfüh­ rung aus einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruches 1 gelöst.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegen­ standes ist vorgesehen, daß das Rohr aus einem Innenrohr und einer dieses umgebenden Außenschale zur mechanischen Stützung des Abgaskrümmers gebildet ist, wobei die Außen­ schale aus mindestens zwei an ihren Rändern miteinander verbundenen Schalenteilen zusammengesetzt ist und das Innenrohr an seinem in die Flanschmittel geführten Enden umschließt und zwischen dem Innenrohr und der Außenschale ein Raum zur Luftspaltisolierung gebildet ist. Bei einer solchen Ausgestaltung wird das Wärmeisolationsverhalten des Abgaskrümmers verbessert.

Der Querschnitt der Außenschale im Abgangsbereich ist in Richtung des äußeren Krafteinflusses auf den Abgaskrümmer gestreckt, wodurch ein hohes Widerstandsmoment der Außen­ schale der Belastung entgegenwirkt. Ausgehend von einem größten Querschnittsdurchmesser der Außenschale ist in Durchströmungsrichtung des Abgaskrümmers der Querschnitt stetig verringert und erreicht schließlich in einem dem Ab­ gangsflansch benachbarten Abgangsquerschnitt sein Minimum. Der Abgangsquerschnitt weist eine kreisförmige Kontur der Außenschale auf und ist im weiteren verlauf bis in einen mit einem Abgangsflansch verbundenen Endbereich des Krüm­ mers unverändert. Die stetige Verringerung der Durchmes­ serstreckung erfolgt dabei in einem Maß, welches die Bil­ dung von Spannungsdruckspitzen im Außenschalenmaterial in­ folge zu starker Querschnittsänderungen verhindert.

Die Kontur des Außenschalenquerschnittes ist bevorzugt einer dem kürzeren Durchmesser entsprechenden Quer­ schnittsachse oder auch zusätzlich bezüglich einer dem längeren Durchmesser entsprechenden Querschnittsachse symmetrisch ausgestaltet. Der Vorteil wird dabei über die einfache Herstellung hinaus darin gesehen, daß Biegespan­ nungen infolge äußerer Belastungen harmonisch über den Querschnitt verteilt sind.

Vorteilhaft besteht die Außenschale aus zwei Halbschalen­ teilen, wobei die Ränder der Halbschalenteile nach außen gebördelt und flächig miteinander verbunden sind. Liegen die Verbindungsflächen der Halbschalenränder auf der dem kürzeren Durchmesser entsprechenden Querschnittsachse, so erhöhen sie durch Materialanhäufung in ihren Randbereichen infolge der Bördelung die Biegesteifigkeit der Außenschale in Richtung dieser Querschnittsachse.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist kon­ zentrisch zu dem Schnittpunkt der Querschnittsachsen in der Außenschale ein Abgasführendes Innenrohr angeordnet, wel­ ches einen vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt aufweist. Zwischen dem Innenrohr und der Außenschale ist ein Raum zur Luftspaltisolierung gebildet, welcher entsprechend der Querschnittsstreckung der Außenschale in Richtung des größeren Außenschalendurchmessers erweitert ist. Durch den vergrößerten Luftspalt ist die Wärmestrahlung von dem In­ nenrohr auf die Außenschale und folglich die Wärmeabgabe der Außenschale an die Umgebung des Abgaskrümmers redu­ ziert.

Ein weiterer Vorteil wild darin gesehen, das Innenrohr aus mehreren Innenrohrformstücken zu bilden, wobei jedes einem Eingangsbereich des Abgaskrümmers zugeordneten Innenrohr­ formstück mit einem Eingangsflansch zum Anschluß an Zylin­ derausgangskanäle verbunden ist, und ein Innenrohrformstück im Abgangsbereich des Abgaskrümmers mit einem Ab­ gangsflansch zum Anschluß an eine Abgasleitung verbunden ist. Ein solches, aus mehreren Formstücken bestehendes In­ nenrohr ist auf einfache Weise kostengünstig herstellbar und zusammenfügbar, wobei Belastungen infolge von Wärme­ spannungen eine große Festigkeit des Innenrohres entgegen­ gesetzt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an­ hand einer Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf einen doppelwandigen Abgaskrümmer mit verlängertem Ab­ gangsbereich,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 1,

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 1.

In Fig. 1 ist in einer Draufsicht ein doppelwandiger Abgas­ krümmer 1 zur Abgasführung aus einer Brennkraftmaschine dargestellt, welcher im wesentlichen aus einem Abgas füh­ renden Innenrohr 2 und einer Außenschale 3 sowie mehreren, in einer gemeinsamen Ebene liegenden Eingangsflanschen 5, 6, 7 zum Anschluß des Innenrohres an Zylinderausgangskanäle und einem Abgangsflansch 8 zum Anschluß des Innenrohres an weitere, Abgasführende Einrichtungen, besteht. Das Innen­ rohr 2 umfaßt mehrere Rohrformstücke 25, 26, 27, 28, näm­ lich ein mit dem Eingangsflansch 5 verbundenes Bogenstück 25, ein mit dem Eingangsflansch 6 verbundenes T-Stück 26, ein mit dem Eingangsflansch 7 verbundenes T-Stück 27 mit einem dem in Strömungsrichtung folgenden Rohrformstück be­ nachbarten, gekrümmten Schenkel, und ein mit dem Abgangs­ flansch 8 verbundenes Kniestück 28, welches in Blick­ richtung auf die Betrachtungsebene abgewinkelt und proji­ ziert weitgehend geradlinig verläuft und in einem Endbe­ reich benachbart des Abgangsflansches 8 bogenförmig abge­ winkelt ist. Die Rohrformstücke sind nach Art einer Muffe mit geringem Spiel ineinandergesteckt, wobei ein jeweils in Strömungsrichtung folgendes Rohrformstück einen aufge­ weiteten Endabschnitt aufweist, welcher den Endabschnitt des in Strömungsrichtung zurückliegenden Rohrformstückes umschließt.

Das Innenrohr 2 ist innerhalb der Außenschale 3 kon­ zentrisch auf dem Schnittpunkt der größten, orthogonal zu­ einander stehenden Durchmesser der Außenschale angeordnet, wodurch zwischen dem Innenrohr 2 und der Außenschale 3 ein abgeschlossener Raum 4 zur Luftspaltisolierung gebildet ist. Die Außenschale 3 besteht aus mehreren Schalenteilen, deren Ränder in die Öffnungen der Flansche 5, 6, 7, 8 ein­ geschweißt oder unmittelbar vor den Flanschen an das Innen­ rohr 2 angeschweißt sein können.

In einem Eingangsbereich 9 des Abgaskrümmers 1, welcher die Eingangsflansche 5, 6, 7 umfaßt und von einer stromab des letzten Eingangsflansches 7 etwa auf Höhe des gekrümmten Abschnittes des Innenrohrformstückes 27 gelegenen Quer­ schnittsebene begrenzt ist, weist die Außenschale 3 der Geometrie des Innenrohres 2 entsprechend einen Bogenteil 15 und einen weitgehend gerade verlaufenden Mittelteil 16 auf. Dabei erstreckt sich die Außenschale in Richtung der Ab­ gaseinströmung in das Innenrohr durch die Eingangsflansche bis zu einer den Eingangsflanschen benachbarten Ebene, wo­ durch ein in Fig. 2 näher beschriebener Querschnitt entlang der Linie II-II des Abgaskrümmers 1 entsteht.

In einem an den Eingangsbereich 9 etwa auf Höhe des ge­ krümmten Abschnittes des Innenrohrformstückes 27 an­ schließenden Abgangsbereich 18 ist die Form eines Anschluß­ teiles 17 der Außenschale 3 dem verlauf des Innenrohres 2 entsprechend gestaltet. Im Abgangsbereich 18 verläuft der Abgaskrümmer 1 in Richtung einer das Innenrohr 2 zentrisch durchsetzenden Stromlinie 31 des Abgases in einem ersten, gebogenen Abschnitt 32, einem zweiten, der Form des um­ schlossenen Rohrformstücks 28 entsprechenden, in Blick­ richtung auf die Betrachtungsebene abgewinkelt und proji­ ziert weitgehend geradlinig verlaufenden Abschnitt 33 und einem dritten, der Bogenrichtung des ersten Abschnittes entgegengesetzt gebogenen Endabschnitt 34. Im ersten Ab­ schnitt 32 des Abgangsbereiches 18 ist mittels geeigneter Krümmungsradien der Ränder der Außenschale 3 der Abstand zwischen den Rändern und somit der Durchmesser der Außen­ schale verringert. Gleichzeitig ist der diesem Durchmesser etwa orthogonale Durchmesser der Außenschale 3 vergrößert, wodurch in dem zweiten Abschnitt 33 des Abgangsbereiches die Außenschale 3 deutlich unterschiedliche orthogonale Durchmesser aufweist. Auf diese Weise ist, wie zu Fig. 3 beschrieben, die Biegesteifigkeit der Außenschale 3, welche ein tragendes Bauteil des Abgaskrümmers 1 ist, erhöht. Darüber hinaus ist durch die Vergrößerung des Luftspalt­ isolierenden Zwischenraumes 4 eine verbesserte Wärmeab­ schirmung des Abgasführenden Innenrohres 2 gegen die Außenschale 3 gegeben.

Im zweiten Abschnitt 33 des Abgangsbereiches 18 ist in Strömungsrichtung des Abgaskrümmers 1 der größere Durchmes­ ser der Außenschale 3 stetig verringert. Dabei ist das Maß der Querschnittsverringerung vorteilhaft derart klein ge­ wählt, daß bei mechanischer Beanspruchung des Abgaskrümmers 1 durch äußere Kraftbeaufschlagung keine schädlichen Span­ nungsspitzen im Material der Außenschale 3 auftreten. Durch die Reduzierung des Durchmessers der Außenschale ist schließlich eine Kontur der Außenschale 3 erreicht, welche einem Abgangsquerschnitt entspricht, welcher im verlauf des dritten, gebogenen Endabschnittes 34 des Abgangsbereiches 19 unverändert ist.

Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1, wobei ein Eingangsquerschnitt 10 im Eingangsbereich des Abgaskrümmers dargestellt ist. Die Außenschale 3 be­ steht aus einer unteren Halbschale 13 und einer oberen Halbschale 23, welche nach außen gebördelte Ränder 14 und 24 aufweisen, an denen die Halbschalen 13 und 23 spiegel­ symmetrisch in Randbereichen 29 und 39 flächig aneinander­ liegen. Dabei ist die Spiegelachse eine durch die Randbe­ reiche 29 und 30 verlaufende, einem Querdurchmesser der Außenschale 3 zugeordnete zweite Querschnittsachse 12, wel­ che orthogonal zu einer dem Hochdurchmesser der Außenschale 3 zugeordneten ersten Querschnittsachse 11 angeordnet ist. Mit dem Schnittpunkt der zweiten Querschnittsachse 12 und der ersten Querschnittsachse 11 konzentrisch ist das Innen­ rohr 2 in der Außenschale 3 angeordnet. Der Eingangsquer­ schnitt 10 weist im wesentlichen die Form eines Tropfens auf, wobei der den Eingangsflanschen, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht dargestellt sind, benach­ barte Randbereich 29 einen größeren Abstand von der ersten Querschnittsachse 11 aufweist als der Randbereich 30. Auf diese Weise ist der zwischen der Außenschale 3 und dem In­ nenrohr gebildete Raum 4 zur Luftspaltisolation in einem Bereich benachbart der Eingangsflansche größer ausgestal­ tet, wodurch ein optimales Wärmeisolationsverhalten des Ab­ gaskrümmers erreicht ist und darüber hinaus eine Erhöhung der Lebensdauer durch größere Gestaltfestigkeit des Abgas­ krümmers zu erwarten ist.

Der in Fig. 3 gezeigte Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1 stellt einen Krümmerquerschnitt 19 im Abgangsbereich dar, wobei die Außenschale 3 elliptisch ausgestaltet ist. Dabei ist der größere Durchmesser der Ellipse der ersten Querschnittsachse 11 und der kleinere Ellipsen-Durchmesser der die Schalenrandbereiche 29, 30 durchsetzenden zweiten Querschnittsachse 12 zugeordnet. Die Außenschale 3 um­ schließt das kreisquerschnittige Innenrohr 2 konzentrisch, wodurch der zwischen der Außenschale 3 und dem Innenrohr 2 gebildete Raum 4 zur Luftspaltisolation in Richtung der ersten Querschnittsachse 11 vergrößernd gestreckt ist.

Durch den vergrößerten Durchmesser der ersten Quer­ schnittsachse 11 weist der Querschnitt der Außenschale 3 ein erhöhtes Flächenträgheitsmoment bzw. Widerstandsmoment bezüglich der Krümmerquerachse 12 auf, wodurch die Außen­ schale 3 in ihrer Funktion als tragendes Bauteil des Abgas­ krümmers einer äußeren Krafteinwirkung eine der Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes entsprechend erhöhte Biege­ steifigkeit entgegensetzt. In der Querrichtung und somit bezogen auf die erste Querschnittsachse 11 ist durch die Materialanhäufung in den Randbereichen 29 und 30 das Flä­ chenträgheitsmoment des elliptischen Querschnittes erhöht, wodurch der Abgangsbereich des Krümmers bei Richtungs­ schwankungen der äußeren Krafteinwirkung eine ausreichende Biegesteifigkeit aufweist.

Der in Fig. 4 gezeigte Zwischenquerschnitt 20 gemäß des Schnittes IV-IV in Fig. 1 weist eine elliptisch ausgestal­ tete Außenschale 3 auf, wobei die Exzentrizität der Ellipse geringer ist als in Fig. 3 infolge der Verringerung des Durchmessers der Außenschale 3 in Richtung der ersten Quer­ schnittsachse 11. Mit gleichem Abstand der Randbereiche 29 und 30 wie im Querschnitt gemäß Fig. 3 ist durch die ste­ tige, belastungsangepaßte Verringerung der Exzentrizität des elliptischen Querschnitts 20 die Materialspannung in der Außenschale infolge einer äußeren Krafteinwirkung har­ monisch über den gesamten Querschnitt verteilt.

Fig. 5 zeigt in einem Schnitt entlang der Linie V-V einen Abgangsquerschnitt 21, welcher eine kreisförmig ausgestal­ tete Außenschale 3 aufweist. Der Durchmesser der Außen­ schale ist dabei der im gesamten Abgangsbereich konstante Abstand der Randbereiche 29 und 30. Dieser Abgangsquer­ schnitt 21 mit einer kreisförmigen Außenschale 3, einem konzentrisch angeordneten Innenrohr 2 sowie einem kreis­ ringförmig ausgebildeten Raum 4 zur Luftspaltisolation ist im weiteren verlauf in Strömungsrichtung bis in einen End­ bereich des Abgaskrümmers benachbart der Verbindung mit dem Abgangsflansch unverändert.

Alternativ zu der elliptischen Form kann die Außenschale des Abgaskrümmers auch andere gestreckte Querschnittsformen aufweisen, wie z. B. eine weitgehend rechteckige Kastenform.

In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Erfindung bei luftspaltisolierten Abgaskrümmern erläu­ tert. Die vorteilhafte Ausgestaltung kann jedoch ebenso bei lediglich aus einem Rohr, also ohne Außenschale bestehenden Abgaskrümmern zur Erhöhung des Widerstandsmomentes Verwendung finden.

Claims (8)

1. Abgaskrümmer (1) zur Abgasführung aus einer Brennkraft­ maschine mit mindestens einem Rohr (2, 3) und min­ destens zwei an einem Zylinder befestigbaren im Abstand zueinander angeordneten Eingangsflanschen (5, 6, 7) zum Anschluß des Rohres (2, 3) an mindestens zwei im Abstand zueinander angeordnete Zylinderausgangskanäle der Brennkraftmaschine sowie einem mit dem Rohr (2, 3) verbundenen Abgangsflansch (8) zum Anschluß eines Ab­ gasrohres, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Abgangsbereich (18) des Abgaskrümmers (1) der Querschnitt des Rohres (2, 3) auf orthogonalen ersten und zweiten Quer­ schnittsachsen (11, 12) deutlich unterschiedliche Durchmesser aufweist und sich die Durchmesser in Strö­ mungsrichtung aufeinanderfolgender Querschnitte stetig einander annähern und in einem Abgangsbereich (21) im Endbereich des Abgaskrümmers (1) gleich sind.

2. Abgaskrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr aus einem Innen­ rohr (2) und einer dieses umgebenden Außenschale (3) zur mechanischen Stützung des Abgaskrümmers (1) gebil­ det ist, wobei die Außenschale (3) aus mindestens zwei an ihren Rändern (14, 24) miteinander verbundenen Scha­ lenteilen (13, 23) zusammengesetzt ist und das Innen­ rohr (2) an seinen in die Flanschmittel (5, 6, 7, 8) geführten Enden umschließt und zwischen dem Innenrohr (2) und der Außenschale (3) ein Raum (4) zur Luft­ spaltisolierung gebildet ist.

3. Abgaskrümmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der größere Durchmesser des Rohres oder der Außenschale (3) auf der ersten Quer­ schnittsachse (11) in Strömungsrichtung verringert ist und der Durchmesser auf der zweiten Querschnittsachse (12) in Strömungsrichtung im wesentlichen nicht ver­ ändert ist.

4. Abgaskrümmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr oder die Außen­ schale (3) symmetrisch bezüglich einer oder beider Querschnittsachsen (11, 12) ausgestaltet ist.

5. Abgaskrümmer nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschale (3) aus einer unteren Halbschale (13) und einer oberen Halb­ schale (23) gebildet ist, wobei die Ränder (23, 24) der Halbschalen nach außen gebördelt sind und in auf der dem kürzeren Durchmesser entsprechenden zweiten Quer­ schnittsachse (12) gelegenen Randbereichen (29, 30) flächig miteinander verbunden sind.

6. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (2) zentrisch auf dem Schnittpunkt der Querschnittsachsen (11, 12) in der Außenschale (3) angeordnet ist.

7. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (2) aus meh­ reren Innenrohrstücken (25, 26, 27, 28) besteht und je­ dem Flansch (5, 6, 7, 8) ein Innenrohrstück zugeordnet ist, wobei benachbarte Innenrohrstücke zu einer Muffen­ verbindung ineinandergesteckt sind.

8. Abgaskrümmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgangsbereich (18) deutlich länger ist als die Krümmerabschnitte zwischen den Eingangsflanschen (5, 6, 7) eines Eingangsbereiches (9)