DE19952648C2 - Luftspaltisolierter Schalenkrümmer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen luftspaltisolierten Schalenkrümmer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1. Die Luftspaltisolation eines derartigen Scha­ lenkrümmers dient zur weitgehenden Vermeidung einer Abkühlung der Abgase, die mit möglichst hoher Temperatur insbesondere einem Katalysator zugeführt werden sollen. Das begünstigt nämlich die Katalysatorfunktion.

Das gasführende Innenteil eines derartigen Krümmers besteht aus hochtempera­ turfestem Edelstahl, der in sich nicht gasdicht sein muss. Das das Innenteil auf der Ausblasseite des Befestigungsflansches mit Radialabstand umgebende Au­ ßenteil hingegen hat neben der Bildung der Luftspaltisolation des Innenteils hin­ aus eine Tragefunktion. Wichtig ist daher die Bauteilfestigkeit des Außenteils und die Gasdichtigkeit, die auch im Verbindungsbereich zum Befestigungsflansch ge­ währleistet sein muss. Als Werkstoff für das Außenteil ist ein preisgünstiger, nied­ rig legierter Edelstahl ausreichend. Das Innenteil ist zum Abfangen relativ hoher Wärmedehnungen häufig mehrteilig ausgebildet. Dabei sind zwischen den Einzel­ teilen des Innenteils Schiebesitze vorgesehen, welche die Relativdehnung zwi­ schen Innenteil und Außenteil abfangen.

Luftspaltisolierte Schalenkrümmer, in der Fachwelt auch kurz als LSI-Krümmer bezeichnet, sind heute in der Automobiltechnik wegen der allgemeinen Verbrei­ tung von Katalysatoren Standard. Bei bekannten LSI-Krümmern ist sowohl das Innenteil als auch das Außenteil der Abgasführung mit dem Befestigungsflansch verschweißt. Die Erfindung befasst sich mit dieser Schweißverbindung.

Bei LSI-Krümmern ist es bekannt, das Innenteil im Durchgangsloch und das Au­ ßenteil auf der Flanschrückseite zu verschweißen. Diese Lösung erfordert zwei umlaufende Schweißnähte und ist damit teuer und aufwendig.

Zur Vermeidung dieses Aufwandes ist es weiter bekannt, die von der Ausblasseite des Befestigungsflansches her in der Durchtrittsöffnung des Befestigungsflan­ sches einliegenden Enden von Außenrohr und Innenrohr von der Einblasseite des Befestigungsflansches her in einem Arbeitsgang zu verschweißen (DE 42 26 715 A1). Eine solche einteilige Schweißung erfordert indessen eine sehr hohe Präzision. Eine große Gefahr sind dabei Schweißperlen, die sich selb­ ständig machen und im Motorbetrieb einen motornahen Katalysator oder den Verbrennungsraum des Motors beschädigen. Außerdem können in der Durch­ trittsöffnung befindliche, in den Abgasstrom hineinstehende Schweißnahtüberhö­ hungen strömungstechnisch nachteilig sein. Weiter befindet sich die Schweißnaht immer im heißen Bereich des Abgasstromes und ist thermomechanischen Span­ nungen ausgesetzt. Dadurch entstehende Schweißnahtrisse ergeben ein Dauer­ festigkeitsproblem. Wegen des Festigkeitsabfalls ist es nachteilig, wenn eine Schweißnaht im Heißbereich positioniert ist.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Schweißverbindung sowohl des Innenteils als auch des Außenteils mit dem Befestigungsflansch ko­ stengünstig und fertigungsgerecht zu gestalten, ohne damit die Verbindungsfunk­ tion zu beeinträchtigen und funktionsmäßige Nachteile in Kauf zu nehmen. Die Lösung ist Gegenstand des Anspruches 1. Diese Lösung besteht ganz allgemein darin, dass sowohl das Innen- als auch das Außenteil mit nur einer ringsum gas­ dichten Außenverschweißung ausblasseitig am Befestigungsflansch fixiert sind, wobei die Fixierung des Innenteils nicht voll sondern nur partiell umfänglich am Befestigungsflansch und am Außenteil erfolgt. Diese Verschweißung erfolgt aus­ schließlich von der Ausblasseite her und die nur partiell wirksame Schweißfixie­ rung des Innenteils am Befestigungsflansch erfolgt durch eine Schlitzschweißung, die neben dem Außenteil und dem Befestigungsflansch im Schlitzbereich auch das Innenteil erfasst. Dieser Lösung liegt der Kerngedanke zugrunde, mit der gasdichten Ringsumverschweißung der Außenschale am Befestigungsflansch auch die Innenschale lagestabil zu fixieren.

Gemäß Anspruch 2 wird eine sichere Lagefixierung auch des Innenteils durch dessen partielle Fixierung in lediglich zwei, separaten Wandbereichen gewährlei­ stet. Beim Lösungsweg nach Anspruch 7 ist das ringsum im Bereich des aus­ blasseitigen Öffnungsrandes der Durchgangsöffnung des Befestigungsflansches der Fall bzw. möglich.

Eine Teilaufgabe besteht darin, für die Anbindung bzw. Führung der Innenschale in der Durchtrittsöffnung des Befestigungsflansches eine möglichst strömungs­ günstige Formgebung zu gewährleisten. Der dazu führende Lösungsweg gemäß Anspruch 3 basiert auf dem Umstand, dass allgemein zwischen Motorblock und dem Befestigungsflansch eines LSI-Krümmers eine Blechdichtung vorgesehen ist. Zur Vermeidung einer Anströmkante am in die Durchgangsöffnung hineinstehen­ de Ende des Innenteils ist die Lösung nach Anspruch 3 vorgesehen. Danach steht im Bereich der Durchgangsöffnung aus der Ebene der Blechdichtung ein halsför­ miger, stehkragenartiger Auszug in das flanschseitige Ende eines jeden Innenteils hinein und überdeckt dieses ringsum anliegend. Eine andere Lösung zur Vermei­ dung einer solchen Anströmkante ist Gegenstand des Anspruches 4.

Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs­ beispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Gesamtansicht eines LSI-Krümmers.

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Befestigungsflansch im Bereich einer Ab­ gas-Durchgangsöffnung mit dem daran fixierten LSI-Krümmer,

Fig. 3 eine Seitenansicht entsprechend Pfeil III in Fig. 1,

Fig. 4 eine zu Fig. 2 alternative Ausgestaltung für die Fixierung des luftspalt­ isolierten Schalenkrümmers am Befestigungsflansch im Querschnitt,

Fig. 5 eine Seitenansicht entsprechend Pfeil V in Fig. 3,

Fig. 6 eine gegenüber Fig. 4 modifizierte Auführungsform der Stoßkanten­ ausbildung des Außenteils und des Innenteils und ihrer Fixierung am Befestigungsflansch,

Fig. 7 eine weitere Abänderungsform analog Fig. 4 und Fig. 6.

Der LSI-Krümmer 1 besteht im Wesentlichen aus dem die heißen Abgase führen­ den Innenteil 2 und dem das Innenteil 2 unter Zwischenlage des ringsum wirksa­ men Luftspaltes 3 umgebenden Außenteil 4. Das Innenteil 2 ist durch ein Rohr gebildet, welches aus mehreren einzelnen, ineinander gesteckten Einzelteilen besteht bzw. bestehen kann, wobei durch die Steckverbindungen Schiebesitze gebildet sind, welche zum Ausgleich bzw. Abfangen von Wärmedehnungen die­ nen. Das Außenteil 1 hingegen besteht aus zwei miteinander zu einem ringsum geschlossenen Hohlkörper miteinander verbundenen Außenschalen 5, 6. Die Au­ ßenschalen 5, 6 sind einander mit ihrer Konkavseite zugewandt und durch eine Längsschweißnaht 7 miteinander zur Bildung des nach außen hin gasdichten Au­ ßenteils 4 verbunden.

Der LSI-Krümmer 1 ist auf der Ausblasseite 8 des Befestigungsflansches 9 fixiert. Auf der Einblasseite 10 ist der Befestigungsflansch 9 an die Ausblasseite eines nicht dargestellten Motorblockes M angeflanscht. Der Befestigungsflansch 9 weist eine der Zahl der angeschlossenen Zylinder des Motorblockes M entsprechende Anzahl von Durchgangsöffnungen 11 auf. In den Fig. 2-5 ist davon nur eine Durchgangsöffnung 11 dargestellt.

Das einblasseitige Ende 12 des Innenteils 2 ragt von der Ausblasseite 8 her bün­ dig in die Durchgangsöffnung 11 des Befestigungsflansches 9 hinein. Es ist von der Ausblasseite 8 her in die Durchgangsöffnung 11 hineingesteckt. Das Ende 12 liegt mit seinem Außenumfang an der Innenfläche der Durchgangsöffnung 11 an und die vordere Stoßkante 13 des einblasseitigen Endes 12 des Innenteils 2 liegt innerhalb der Durchgangsöffnung 11 und steht nicht über die Einblasseite 10 des Befestigungsflansches 9 hinaus. Das einblasseitige Ende 12 des rohrartigen In­ nenteils 2 ist gegenüber dessen ausblasseitigem Bereich radial aufgeweitet. Da­ durch enthält das Innenteil 2 zur Ausblasseite 8 hin anschließend an das ein­ blasseitige Ende 12 einen sich über den Axialbereich 14 erstreckenden radialen Einschnürungsbereich 15. Anschließend an diesen Einschnürungsbereich 15 wird das Innenteil 2 in Ausblasrichtung 16 ringsum vom Luftspalt 3 in dessen voller Spaltstärke 17 flankiert.

Das der Einblasseite 10 zugewandte Ende 18 des das Innenteil 2 gasdicht umge­ benden Außenteils 4 sitzt auf der Ausblasseite 8 außerhalb der Durchgangsöff­ nung 11 auf dem Umfang des aus der Durchgangsöffnung 11 herausstehenden einblasseitigen Endes 12 des Innenteils 2 bündig auf.

Das einblasseitige Ende 18 des Außenteils 4 welches auf dem einblasseitigen Ende 12 des Innenteils 2 aufsitzt, stößt an die Ausblasseite 8 des Befestigungs­ flansches 9 an. In diesem Bereich ist das der Einblasseite 10 zugewandte En­ de 18 des Außenteils 4 durch die Schweißnaht 19 ringsum gasdicht mit dem Be­ festigungsflansch 9 verschweißt. Die der Einblasseite 10 zugewandte Stoßkan­ te 20 weist mindestens eine sich über einen Teil des Umfanges erstreckende Aussparung 20 auf, die einen Schweißschlitz von der Axiallänge 21 bildet und durch die in Radialrichtung hindurch der Umfang des einblasseitigen Endes 12 des Innenteils 2 nach außen frei liegt. Die Aussparung 20 erstreckt sich in Um­ fangsrichtung über etwa 5-20° des Umfanges des Außenteils 4. Durch diesen durch die Aussparung 20 gebildeten Schweißschlitz hindurch erfasst die Schweißnaht 19 das einblasseitige Ende 12 des Innenteils 2 und fixiert dieses im Bereich des Schweißschlitzes 20 einerseits am Befestigungsflansch 9 und ande­ rerseits am Außenteil 4.

Bei dem Ausführungsbeispiel ist die den Schweißschlitz bildende Aussparung 20 zur Einblasseite 10 hin offen. Sie ist vertieft in das der Einblasseite 10 zugewand­ te Ende 18 des Außenteils 4 eingeformt. Das ist nicht zwingend notwendig. Die gleiche Wirkung kann dadurch erzielt werden, dass die Aussparung 20 als parallel zur einblasseitigen Stirnkante 18 des Außenteils 4 verlaufende, ringsum in sich geschlossene Durchgangsnut ausgebildet ist.

Beim Ausführungsbeispiel Fig. 2 und 3 sind am einblasseitigen Ende 18 des Au­ ßenteils 4 zwei einander diametral gegenüberliegende, als Schweißschlitze wirksame Aussparungen 20 zur Aufnahme bzw. zum Hindurchreichen der Schweiß­ naht 19 und damit zur sicheren Lagefixierung des Innenteils 2 vorhanden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und 3 ist der Befestigungsflansch 9 auf seiner Einblasseite 10 von einer Metalldichtung 22 abgedeckt. Diese Metall­ dichtung 22 ist in ihrem der Durchgangsöffnung 11 des Befestigungsflansches 9 zugewandten Bereich ebenfalls mit einer Durchtrittsöffnung 23 für das in das In­ nenteil 2 einzuleitende Abgas versehen. Diese Durchtrittsöffnung 23 trägt einen in Ausblasrichtung 16 über die Ebene der Metalldichtung 22 stehkragenartig bzw. halsförmig hinausstehenden Auszug 24, welcher in die Durchtrittsöffnung 23 hin­ einsteht und über ihren gesamten Umfang bündig säumt. Der Auszug 24 kontak­ tiert also ringsum die Innenseite des einblasseitigen Endes 12 des Innenteils 2. Damit ist die andernfalls eine Anströmkante bildende Stoßkante 13 des einblas­ seitigen Endes 12 des Innenteils 2 ringsum gegen die Abgasströmung abge­ schirmt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 und 5 unterscheidet sich lediglich die Ausbildung der Durchgangsöffnung 11 und ihre Anbindung an das einblasseitige Ende 12 des Innenteils 2 von der Ausführungsform gemäß den Fig. 2 und 3. Hier ist das der Einblasseite 10 zugewandte Ende der Durchgangsöffnung 11 mit ei­ nem den Öffnungsdurchmesser einschnürenden Absatz 26 versehen, an welchem das Innenteil 2 mit seinem einblasseitigen Ende 12 von der Ausblasseite 8 her anliegt. Der Absatz 26 deckt dabei über den gesamten Umfang die Anströmkante des Innenteils 2 ab, die andernfalls durch das der Einblasseite 10 zugewandte Ende des Innenteils 2 gebildet wäre. Die Fixierung bzw. Verschweißung des Au­ ßenteils 4 und durch den Schweißschlitz 20 hindurch auch des Innenteils 2 mit dem Befestigungsflansch 9 unterscheidet sich im brigen nicht von der anhand von Fig. 2 und 3 beschriebenen Fixierung. Es kann daher der Einfachheit halber auf die Beschreibung von Fig. 2 und 3 verwiesen werden.

In der Regel weist jeder LSI-Krümmer mehrere nebeneinander angeordnete Ab­ gasführungen auf. Das hängt davon ab, wieviele Verbrennungsräume des Verbrennungsmotors an den Schalenkrümmer angeschlossen sind. In einem solchen Fall braucht nicht jede Durchgangsöffnung 11 mit der erfindungsgemäßen Fixie­ rung sowohl der Innenschale 2 als auch der Außenschale 4 in Form der durch den Schweißschlitz 20 hindurchreichenden Schweißnaht 19 fixiert zu sein. Es reicht aus, wenn diese Fixierung nur bei mindestens einer Abgasleitung des Schalen­ krümmers vorliegt. Durch diese Verschweißung werden dann wegen der Einteilig­ keit ihrer Ausbildung die benachbarten Innenteile 2 desselben LSI-Krümmers 1 mitgetragen. Dadurch lassen sich im Bereich der nichtverschweißten anderen In­ nenteile 2 desselben LSI-Krümmers Wärmespannungen noch zusätzlich ausglei­ chen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 behält das einblasseitige Ende 12 des In­ nenteils 2 seine Rohrform. Das einblasseitige Ende 18 des Außenteils 4 hingegen sitzt in Form einer Einschnürung 27 auf dem einblasseitigen Ende 12 des Innen­ teils 2 auf. Beide Enden ragen in die Durchgangsöffnung 11 hinein und liegen an deren Absatz 26 stirnseitig an. In seinem außerhalb des Befestigungsflansches 9 liegenden Umfangsbereich ist das Außenteil 4 mit axialem Abstand von seinem einblasseitigen Ende 18 mit jeweils einer als Schweißschlitz bzw. Schweißöffnung wirksamen Aussparung 20 versehen, die sich nur über einen begrenzten Bereich des Umfanges des Innenteils 2 erstreckt. Beim Ausführungsbeispiel befinden sich diese Aussparungen 20 an zwei einander diametral gegenüberliegenden Positio­ nen der Einschnürung 27 des Außenteils 4.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 7 sitzt das einblasseitige Ende 18 des Außenteils 4 mit einer Einschnürung 27 außerhalb der Durch­ gangsöffnung 11 auf dem Außenumfang des Innenteils 2 auf und hält mit diesem Ende 18 ringsum einen als Schweißschlitz 20 wirksamen Abstand 21 von der ausblasseitigen Oberfläche 28 des Befestigungsflansches 9 ein. Über diesen ringsum wirksamen Schweißschlitz 20 erfolgt umfänglich eine Verschweißung so­ wohl des Innenteils 2 als auch des Außenteils 4 mit dem Befestigungsflansch 9.

Bezugszeichenliste

1

LSI-Krümmer

2

Innenteil

3

Luftspalt

4

Außenteil

5

Außenschale

6

Außenschale

7

Längsschweißnaht

8

Ausblasseite

9

Befestigungsflansch

10

Einblasseite

11

Durchgangsöffnung

12

einblasseitiges Ende Innenteil

2

13

Stoßkante

14

Axialbereich

15

Einschnürungsbereich

16

Ausblasrichtung

17

Spaltstärke

18

einblasseitiges Ende Außenteil

19

Schweißnaht

20

Aussparung Schweißschlitz

21

Axiallänge

22

Metalldichtung

23

Durchtrittsöffnung

24

Auszug

25

einblasseitiges Ende der Durchgangsöffnung

11

26

Absatz

27

Einschnürung

28

ausblasseitige Oberfläche

Claims (8)

1. Luftspaltisolierter Schalenkrümmer (1) zur Abgasführung aus dem Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors in ein Abgasrohr, der am Motorblock (M) mittels eines Befestigungsflansches (9) fixiert ist, dessen Durchgangsöffnung (11) jeweils ein abgasführendes Innen­ teil (2) und ein dieses mit einen Luftspalt (3) bildendenden Radialabstand um­ gebendes Außenteil (4) trägt,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ende (12) des Innenteils (2) innerhalb der Durchgangsöffnung (11) des Befestigungsflansches (9) anliegt und
dass das Ende (18) des Außenteils (4) auf dem aus der Durchgangsöf­ nung (11) herausstehenden Teil des Innenteils (2) aufsitzt und an dem Befe­ stigungsflansch (9) gasdicht verschweißt ist, wobei das Außenteil (4) im Be­ reich der Schweißnaht auf einem Teil seines Umfanges mindestens eine ra­ diale Aussparung (20) aufweist, durch die das Innenteil am Außenteil und/oder am Befestigungsflansch angeschweißt ist.

2. Schalenkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenteil (4) in zwei insbesondere einander etwa diametral gegen­ überliegenden Wandbereichen jeweils eine Aussparung (20) aufweist.

3. Schalenkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsflansch (9) auf seiner Abgaseintrittsseite (10) von einer Metalldichtung (22) abgedeckt ist, welche mit einem halsförmigen, stehkragenartigen Ansatz (24) in das Innenteil (2) hineinragt und dieses ringsum an­ liegend überdeckt.

4. Schalenkrümmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende (12) des Innenteils (2) an einem den Öffnungsdurchmesser der Durchgangsöffnung (11) einschnürenden Absatz (26) anliegt.

5. Schalenkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Aussparungen (20) am Ende des Außenteils (4) angeordnet sind.

6. Schalenkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Aussparungen (20) mit Abstand vom Ende (18) des Außen­ teils (4) angeordnet sind.

7. Schalenkrümmer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die radialen Aussparungen (20) über etwa 10 bis 30 mm des Umfan­ ges des Außenteils (4) erstrecken.

8. Abwandlung eines Schalenkrümmers nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenteil (4) mit seiner gesamten, dem Befestigungsflansch (9) zu­ gewandten Endkante ringsum einen als Schweißschlitz (20) wirksamen axia­ len Abstand (21) vom Befestigungsflansch (9) hält.